led dossier - ETAP Lighting

DOSSIER
LED
BELEUCHTUNG
MIT EINER NEUEN
LICHTQUELLE
Ausgabe 5, Oktober 2014
Vorwort
LEDs sind der neue Standard des Beleuchtungssektors. Auch wenn die Technologie allmählich das Ende der Entwicklungsphase erreicht, können
wir unser Know-how in Sachen Lebensdauer, Materialien und Eigenschaften von LEDs täglich weiter ausbauen. Dieses Dokument bietet Ihnen
wie gewohnt alle notwendigen Informationen, um in Bezug auf diese komplexe Materie auf dem Laufenden zu bleiben.
Sie möchten wissen, was nun genau der Unterschied ist zwischen Niedrigleistungs-LEDs, Hochleistungs-LEDs und Chip-on-Board? Sie fragen
sich, welche aktuellen gesetzlichen Vorschriften bezüglich der Dokumentation von LED-Beleuchtung gelten? Sie möchten wissen, was die Folgen
einer Überdimensionierung Ihrer LED-Installation sind und wie Sie diese vermeiden können? Eine Antwort auf diese und viele weitere Fragen
ﬁnden Sie in der fünften Ausgabe dieses LED-Dossiers. Updates haben wir für Sie am Seitenrand hervorgehoben. Die jeweils aktuellste Version
dieser Publikation ﬁnden Sie auf unserer Website www.etaplighting.com.
Ausgabe 5, Oktober 2014
© 2014, ETAP NV
2 | ETAP
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BELEUCHTUNG
MIT EINER NEUEN
LICHTQUELLE
INHALT
1. Die LED als Lichtquelle ................................................................................................................................................................................................ 4
1. Wie funktionieren LEDs?.................................................................................................................................................................................... 4
2. LED-Lichtquellen ................................................................................................................................................................................................... 5
3. Vorteile der LEDs ................................................................................................................................................................................................... 9
4. LED-Hersteller ......................................................................................................................................................................................................14
5. Die Zukunft der LEDs ........................................................................................................................................................................................14
6. OLEDs, eine neue Art von Beleuchtung .....................................................................................................................................................15
2. Leuchten mit LEDs konstruieren...........................................................................................................................................................................18
1. Chancen und Herausforderungen ...............................................................................................................................................................18
2. Die richtige Lichtverteilung ............................................................................................................................................................................19
3. Die Leuchtdichte unter Kontrolle .................................................................................................................................................................21
4. Intelligentes Wärme-Management .............................................................................................................................................................21
5. Binning für eine konstante Lichtqualität..................................................................................................................................................23
6. Elektrische Sicherheit........................................................................................................................................................................................24
7. Veröffentlichung der korrrekten Daten .....................................................................................................................................................25
8. Objektive Informationen zur Qualität ........................................................................................................................................................26
9. Fotobiologische Sicherheit .............................................................................................................................................................................27
10. LED-Röhren ........................................................................................................................................................................................................29
3. Spannungsversorgungen für LED-Leuchten ...................................................................................................................................................31
1. Qualitätskriterien für LED-Spannungsversorgungen ..........................................................................................................................31
2. Strom- und Spannungsversorgung im Vergleich..................................................................................................................................32
4. Beleuchtung mit LEDs - lichttechnische Aspekte .......................................................................................................................................34
1. Abnahme des Lichtstroms und Wartungsfaktor....................................................................................................................................34
2. Integration energiesparender Systeme .....................................................................................................................................................38
5. Frage und Antwort.......................................................................................................................................................................................................40
Terminologie .........................................................................................................................................................................................................................41
Anlage 1: Wartungsfaktoren von LED-Produkten...........................................................................................................................................42
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Kapitel 1: Die LED als Lichtquelle
1.
WIE FUNKTIONIEREN LEDs?
LED steht für Light Emitting Diode. Eine LED ist ein Halbleiter (Diode), der Licht
ausstrahlt, wenn Strom durch ihn ﬂießt. Die Halbleiter-Materialien, die in LEDs
eingesetzt werden, setzen elektrische Energie in sichtbare elektromagnetische
Strahlung, also Licht, um.
sichtbares
Licht
Die Anregung des Halbleiters erfolgt dadurch, dass elektrischer Strom durch
die Diode (genauer gesagt durch die Junction) ﬂießt. Die Diode, durch die der
elektrische Strom ﬂießt, ist – wie alle Dioden – nur in eine Richtung wirkend:
Es entsteht nur Licht, wenn der Gleichstrom in die „richtige“ Richtung ﬂießt,
nämlich von der Anode (positiver Pol) zur Kathode (negativer Pol).
Gleichstrom
Anode (+)
Kathode (-)
Abb. 1: Funktionsprinzip einer LED
2.50
2.25
2.00
normalisierter Lichtstrom
Die Menge erzeugten Lichts verhält sich nahezu
proportional zur Menge Strom, der durch die
Diode ﬂießt. Für Beleuchtungszwecke werden
stromgeregelte Versorgungen (Konstantstrom)
eingesetzt. (siehe Kapitel 3).
1.75
1.50
1.25
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0
200
400
600
800
1000
1200
Strom (mA)
Abb. 2: Einﬂuss des Stromes auf den Lichtstrom
Die Kombination aus LED (Halbleiter), Gehäuse und der Primäroptik (Linse) nennen wir eine LED-Komponente. Sie umfasst und schützt die LED,
sorgt dafür, dass die intern erzeugte Wärme verteilt wird und enthält ein primäres optisches System, eine kleine Linse, um das erzeugte Licht
der LED zu sammeln und kontrolliert auszustrahlen.
Primäroptik
LED
Junction
thermisch leitende Schnittstelle
elektrischer Anschluss
Abb. 3: Aufbau einer LED-Komponente
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Die LED strahlt Licht in einem bestimmten Spektralbereich (monochromatisch) aus. Die Farbe des Lichts ist abhängig von dem HalbleiterMaterial, das zur Herstellung verwendet wurde. Das können alle gesättigten Farben des sichtbaren Spektrums sein, von Violett und Blau über
Grün zu Rot. Um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen, gibt es zwei Möglichkeiten:
UPDATE
1. Bichromatisch
- Die am häuﬁgsten vorkommende Methode ist, ähnlich wie bei Leuchtstofﬂampen, eine blaue LED, mit einem
photoluminiszenten (leuchtenden) Material zu kombinieren, und so einen Teil des blauen Lichts (kurzwelliges, höher
energetisches) in weißes (oder eher gelbliches) Licht (langwellig, nieder energetisch) umzuwandeln. Die Zusammensetzung
der Leuchtstoffe bestimmt die Farbtemperatur des resultierenden Lichts (mehr über die Farbtemperatur später in diesem
Kapitel).
2. Trichromatisch
- Durch das Mischen verschiedenfarbiger LEDs der Farben Rot, Grün und Blau (RGB).
- Durch Kombination weißer LEDs mit roten oder bernsteinfarbenen, nach dem gleichen Prinzip. Diese Technik ermöglicht
unterschiedliche Farbtemperaturen in einem einzigen Modul.
2.
LED-LICHTQUELLEN
Es gibt viele Möglichkeiten, LED-Lichtquellen anzuwenden. Nach der internationalen Norm IEC 62504/CIE TC 2-66 (“Terminology of LEDs and
LED assemblies”) werden die folgenden Integrationsniveaus unterschieden:
1. LED-Package oder LED-Komponente. Dies ist eine einfache Komponente, die aus einem oder mehreren LED-Chips besteht, möglicherweise
mit Optik und thermischer, mechanischer oder elektrischer Schnittstelle.
Z. B.
Cree XP-G LED-Komponente
Bridgelux LED-Komponente
2. LED-Modul. Eine LED-Lichtquelle, die sich aus mehreren LED-Komponenten zusammensetzt, montiert auf einer PCB (Leiterplatte) oder
auch mit integrierter Elektronik.
Z. B.
UM2-Leiterplatte (ETAP)
3. LED-Lampe. Identisch mit einem LED-Modul, aber mit Lampenfassung
Z. B.
TG-Röhrenlampe
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TG-Spotlampe
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UPDATE
4. LED-Light Engine. LED-Modul oder -Lampe mit Betriebsgerät, geeignet für den direkten Anschluss an die Netzspannung.
Z. B.
Osram PrevaLED
Um eine LED-Leuchte zu entwerfen, wählt ein Beleuchtungshersteller eines der vier Integrationsniveaus als Arbeitsgrundlage. Ausgehend von
Niveau 1 bleibt die größte Freiheit, eigene Akzente zu setzen, sowohl bezüglich des Designs als auch hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der
Lichttechnik. Beim Arbeiten mit den Niveaus 3 oder 4 ergeben sich andere Vorteile, wie logistische Möglichkeiten des Zulieferers und möglichst
geringe Kosten. ETAP entscheidet sich bei jeder Produktreihe für das passende Niveau, je nach gewünschtem Endergebnis.
2. LED-Modul
1. LED-Komponente
4. LED-Light Engine
LED-Leuchte
3. LED-Lampe
In den meisten Fällen (z. B. LED+LENSTM Leuchten, R8, UM2) entwickelt ETAP Light Engines auf Basis von LED-Komponenten. Für unsere
LED-Downlights mit klassischem, sekundärem Reﬂektor (D1, 2 und 3) nutzen wir dann wieder LED-Module mit Betriebsgerät, also eine fertig
einsatzbereite LED-Light Engine.
Bauformen bei LED-Packages
Innerhalb der Kategorie LED-Packages unterscheiden wir drei verschiedene Bauformen nach Leistung:
- Niedrigleistungs-LEDs () 1W)
- Hochleistungs-LEDs (1-10W)
- Chip-on-Board (5-50W)
Abb. 4: LED-Bauformen (v.l.n.r.): Kunststoffgehäuse, Keramikträger, Chip-on-Board
Bei Niedrigleistungs-LEDs (Abb. 4 - links) wird der LED-Chip zumeist in einem sogenannten „Leadframe“ (Leiterrahmen, siehe Abb. 5)
untergebracht, um den anschließend ein Kunststoffgehäuse angebracht wird. Die zentrale Kavität ist mit einer Silikonschicht aufgefüllt, in
der sich Phosphor beﬁndet. Sowohl der Leadframe als auch das Gehäuse fungieren bei dieser Konstruktion für einen Teil des ausgestrahlten
Lichts als Reﬂektor. Das ist auch der Grund dafür, warum die optischen Eigenschaften - u.a. Reﬂexionsleistung und Materialalterung - zu einem
langfristigen Lichterhalt beitragen: Je besser das Material seine reﬂektierenden Eigenschaften behält, desto geringer der Leistungsverlust.
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UPDATE
UNTEN
OBEN
Kunststoffgehäuse
Wärmeableitung
Leiterrahmen
elektrische Kontakte
Wärmeableitung und Reflektion (optional)
Abb. 5: LED-Leiterrahmen mit Kunststoffgehäuse (bei Niedrigleistungs-LED)
Die Wahl des Kunststoffs wird auf der Grundlage der optischen Eigenschaften abgewogen, aber auch auf der Grundlage des Preises und
der Verarbeitbarkeit. Die meist verwendeten Materialien für das Gehäuse sind thermoplastische Materialien wie PPA (Polyphthalamide) und
PCT (Polycyclohexylendimethylenterephthalat) sowie Duroplaste wie EMC (Epoxy Moulding Compounds) und in einigen Fällen sogar Silikon.
Die meisten Hochleistungs-LEDs (Abb. 4 - Mitte) bestehen aus einem LED-Chip, der auf einem Keramikträger angebracht ist. Darauf werden
eine Phosphorschicht und eine Primäroptik angebracht, zumeist aus Silikon. Diese Bauform weist folgende Eigenschaften auf:
- eine gute Wärmeableitung zur PCB (geringerer interner Wärmewiderstand)
- direkt ausgestrahltes Licht und wenig Reﬂektion
- eine gute Farbstabilität über den gesamten Ausstrahlungswinkel
Silikonlinse
LED-Chip
Drahtverbindungen
Keramikträger
elektrische Kontakte
Wärmeableitung
Abb. 6: Aufbau einer Hochleistungs-LED
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UPDATE
Bei Chip-on-Board-Technologie (COB; Abb. 4 - rechts) werden mehrere Chips zusammen auf einem Träger angebracht und miteinander
elektrisch verbunden. Darauf wird eine Silikon-Deckschicht mit Phosphor aufgebracht. Der Träger besteht zumeist aus einem keramischen
Material oder aus hochreﬂektierendem (poliertem) Aluminium.
OFFEN
Träger
(Keramik oder Aluminium)
Drahtverbindungen
GESCHLOSSEN
LED-Chips
Silikon +
Phosphor
reflektierende Schicht
elektrischer
Anschluss
Damm
Abb. 7: Aufbau Chip-On-Board-Technologie (COB)
Der Verlauf der optischen Eigenschaften in Bezug auf die Zeit unter Einﬂuss von Licht und Wärme wirkt sich in hohem Maße auf den
Wartungsfaktor von LEDs aus. Die Stabilität ist für die Hochleistungskomponenten (z. B. High Power und COB) optimal und für die
Niedrigleistungs-LEDs aus Kunststoff geringer. Aufgrund des intelligenten Designs liefern Niedrigleistungs-LEDs ebenfalls ein gutes Ergebnis.
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3.
VORTEILE DER LEDs
ETAP-Anwendung mit
High Power LEDs
VORTEIL 1: LANGE NUTZUNGSDAUER
Low Power LEDs
100
90
80
relativer Lichtstrom (%)
Die Nutzungsdauer der LEDs wird stark durch die speziﬁschen
Einsatzbedingungen beeinﬂusst, wobei der Strom und die
Innentemperatur (und somit auch die Umgebungstemperatur)
die wichtigsten Faktoren sind. Typischer Weise wird von einer
Lebensdauer von 50.000 Stunden ausgegangen. Darunter
verstehen wir die Zeitspanne in der der durchschnittliche
Lichtstrom auf 70% seines Ausgangswertes zurück geht
(siehe Abb. 8). Diese Lebensdauer gilt unter der Bedingung,
dass die LEDs innerhalb der vorgegebenen Temperaturgrenzen
(meist 80-85°C) verwendet werden. Werden qualitativ
hochwertige LEDs in Kombination mit einem professionellen
Leuchtendesign verwendet, dann kann dieser Wert auch
deutlich höher liegen (siehe Kapitel 4).
70
60
50
40
30
20
10
0
1
10
100
Zeit (h x 1000)
Abb. 8: Abnahme des Lichtstroms in Abhängigkeit zur Zeit
Nutzbare LED-Lebensdauer
Bei der Bestimmung der LED-Lebensdauer muss zwischen parametrischen Fehlern (Leistungsverlust) und totalem Versagen (LED
strahlt kein Licht mehr aus) unterschieden werden. Wenn sich Hersteller auf eine Lebensdauer von L70 beziehen, dann ist damit die
Zeit gemeint, in der die Leistung eines bestimmten Prozentsatzes der LEDs auf 70% des ursprünglichen Lichtstroms absinkt. Dieser
Prozentsatz wird mit B bezeichnet, also zum Beispiel B50 = 50%. Bei dieser Art der Bestimmung der Lebensdauer werden jedoch nicht
alle potenziell möglichen LED-Ausfälle berücksichtigt; einige andersartige Ausfälle werden deshalb im Testergebnis nicht angegeben.
Für den Nutzer ist jedoch jede defekte LED, unabhängig vom Ausfallgrund, wichtig. Wenn man bei der Bestimmung der Lebensdauer
auch die möglicherweise fehlerhaften oder defekten LEDs mit einbezieht, dann spricht man von der „F“-Deﬁnition der Lebensdauer, die
typischerweise niedriger ist, als die „B“-Deﬁnition der Lebensdauer. Zum Beispiel zeigt L70F10 die Zeitspanne, innerhalb derer 10% der
LEDs auf weniger als 70% des ursprünglichen Lichtstroms absinken oder aus einem anderen Grund versagen. Internationale Standards
und Empfehlungen sind daher bestrebt, die “F“-Deﬁnition für die Lebensdauer der LEDs zu verwenden, oder sogar verbindlich vorzuschreiben. ETAP gibt keinen L70/B50-Wert für Leuchten an, weil dies keine brauchbare Angabe für Beleuchtungsberechnungen ist.
Wir gehen von der angenommenen Anzahl Betriebsstunden aus (projektabhängig) und berechnen daraus den Lampenlichtstromwartungsfaktor. Bei Büroanwendungen rechnen wir standardmäßig mit 25.000 Betriebsstunden, bei Industrieanwendungen mit 50.000
(siehe auch Anhang 1).
LEDs haben eine lange Lebensdauer, sind aber empﬁndlich gegen zyklische thermische Spannungen und chemische und elektrostatische Einﬂüsse.
Das Berühren von LED-Platinen ohne gute Erdung ist darum unbedingt zu vermeiden. Das Gleiche gilt für das direkte Anschließen von LEDs an
eine Stromversorgung, die bereits unter Spannung steht, da die auftretenden Spannungsspitzen die LED völlig zerstören können.
Halogenlampe
LED = 18x Cree XP-G2 4000K @ 350 mA
5000
B50/L70
Kompakt-Leuchtstofﬂampe
Kompakte Metalldampﬂampe
(CDM-T)
Betriebsstunden (in 1.000 Std.)
8000
10000
Quecksilber-Hochdrucklampe
12000
20000
Lineare Leuchtstofﬂampe
LED
50000
0
10000
20000
30000
40000
50000*
Stunden
Abb. 9: Typische Werte für die nutzbare Lebensdauer
(vereinfacht dargestellt)
120
100
80
60
40
20
0
60000
60
70
80
90
100
110
120
LED Junction-Temperatur Tj (°C)
Abb. 10: Einﬂuss der Junction-Temperatur
auf die Lebensdauer
* Basierend auf mind. 10.000 Stunden Messdaten (TM-21)
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Kaltweiße LEDs mit einer Farbtemperatur von 5.000 K (Kelvin) erreichen heute unter Laborbedingungen schon mehr als 160 lm/W. LEDs mit
einer geringeren Farbtemperatur von 2.700 bis 4.000 K (die am meisten für Beleuchtungsanwendungen in Europa verwendet werden) haben
durchgängig eine geringere Efﬁzienz. Bei diesen Farbtemperaturen sind seit Mitte 2014 Wirkungsgrade von 120 lm/W und mehr im Handel
erhältlich.
140
U7/R7 (2e Gen.)
120
Lichtausbeute (lm/W)
UPDATE
VORTEIL 2: HOHE ENERGIEEFFIZIENZ MÖGLICH
R8
UM2
100
U7/R7 (1e Gen.)
80
D4 (2e Gen.)
60
Diese Kurve basiert auf den realen Leistungen der LEDs
in konkreten Anwendungen. Diese Unterschiede der
Herstellerdaten sind auf die produktionsspeziﬁsche
elektronische Steuerung und auf das thermische
Verhalten zurückzuführen.
D4 (1e Gen).
40
20
0
2004
2006
2008
2010
2014
2012
2016
Abb. 11: Entwicklung des speziﬁschen Lichtstroms der LED-Leuchten bei 3000 K,
mit Angabe des jeweiligen ETAP-Produktes bei einer
Junction-Temperatur im normalen Gebrauch („heisse“ Lumenwerte)
Speziﬁscher Lichtstrom (lm/W)
Wir beziehen uns hier immer noch auf lm/W der „Lampe“ (wie bei der Leuchtstofﬂampe) unter Referenz-(Labor-) Bedingungen (25°C JunctionTemperatur Tj für LEDs). Unter realen Bedingungen ist der Wirkungsgrad niedriger. Die durch die Leuchte realisierte Efﬁzienz ist noch geringer.
Zur Veranschaulichung ein Beispiel der R7 mit LED:
LED Pulstest bei 85°, vergleichbar
mit Werten in der Praxis
128 lm/W
LED
mit Treiber (90%)
118 lm/W
LED-Leuchte
inklusive Optik und Linse
110 lm/W
0
20
40
60
80
100
120
140
Lumen/Watt
Abb. 12: R7
Zum Vergleich: Die leistungsfähigste Reﬂektorleuchte U5 mit Leuchtstofﬂampe 1x 32 Watt
111 lm/W
T5 High Output ECO (bei 35°C)
Leuchtstofﬂampe mit Vorschaltgerät
(90%)
89 lm/W
Leuchte mit Leuchtstofﬂampe
(inklusive HRSilverTM-Reﬂektor)
87 lm/W
20
40
60
80
100
110
120
Lumen/Watt
Abb. 13: U5-Reﬂektorleuchte
Hinweis: Die dargestellten Werte beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 25 °C.
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LEDs mit einer hohen Farbtemperatur, also mit kälterem Licht, besitzen einen höheren Wirkungsgrad als die gleichen LEDs mit einer niedrigeren
Farbtemperatur. Der Leuchtstoff, der gebraucht wird, um die warmweiße Farbe zu erzeugen, enthält nämlich mehr Rot und die Efﬁzienz dieser
roten Komponente ist geringer, als die der gelben. Dadurch nimmt der Gesamtwirkungsgrad der LEDs ab.
Zum Vergleich:
2014-2015
LED
Metalldampﬂampe
Leuchtstofﬂampe
Quecksilber-HochdruckGasentladungslampe
Halogenlampe
Glühlampe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220 lm/W
Abb. 14: Typische Werte für die Efﬁzienz verschiedener Lichtquellen
Vorteil 3: Gute Farbwiedergabe, Auswahl der Farbtemperatur
Farbtemperatur
Die Farbtemperatur einer Lichtquelle für weißes Licht ist deﬁniert als „die Temperatur eines deﬁnierten schwarzen Körpers, von dem das
ausgestrahlte Licht den selben Farbeindruck wiedergibt, wie die Farbe der betreffenden Lichtquelle“. Die Farbtemperatur wird in Kelvin (K)
ausgedrückt. Blaues Licht hat eine höhere Farbtemperatur und wird daher als „kälter“ empfunden, als Licht mit einer geringeren Farbtemperatur.
Es gibt verschiedene Unterteilungen und Benennungen, jede mit Verweis zu den erkennbaren Farbtemperaturen:
Blue Led
Blaue
LEDchip
10,000
Phosphor 6000K
Phosphor 3000K
Nordlicht (blauer Himmel)
y
0.9
9,000
520
0.8
540
8,000
7,000
bewölkter Tag
500
2,000
1,000
580
0.5
Mittagslicht, direktes Sonnenlicht
Elektronisches Blitzlicht
4,000
3,000
560
0.6
6,000
5,000
0.7
Abb. 15: Benennung von Farbtemperaturen
5000
3000
0.0
6000
0.4
2000 1500
10000
0.3
konventionelle Glühlampe
früher Sonnenaufgang
Glühlampenlicht
Kerzenlicht
Tc (°K)
490
600
620
700
0.0
0.2
480
0.1
470
460
0.0
0.0
0.1
380
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
x
Abb. 16: Erzeugung von weißem Licht durch
Leuchtstoff
Bei weißem Licht von RGB-LEDs (in denen die Farben Rot, Grün und Blau gemischt werden) sind alle Farbtemperaturen möglich, jedoch ist die
Steuerung und Kontrolle im Laufe der Zeit komplex, da alle drei Farben eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit haben. Daher werden
diese seltener für Beleuchtungszwecke eingesetzt.
Bei LEDs mit Lumineszenz-Konversion wird die Farbtemperatur durch die Wahl des Leuchtstoffs bestimmt.
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11 | ETAP
Wie verhält sich das bei der Sicherheitsbeleuchtung?
Bei der Sicherheitsbeleuchtung setzt ETAP ausschließlich LEDs mit hohen Farbtemperaturen ein. Sie sind
efﬁzienter und benötigen aus diesem Grund weniger Akku-Kapazität. Darüber hinaus reagiert das menschliche
Auge bei schlechten Lichtverhältnissen sensibler auf bläuliches Licht.
Farbwiedergabe
Der Farbwiedergabe-Index (CRI - Color Rendering Index) einer Lichtquelle gibt die Qualität der Farbwiedergabe der durch die Lichtquelle
beleuchteten Objekte wieder. Um diesen Index zu ermitteln, vergleichen wir die Farbwiedergabe von Objekten, die durch die Lichtquelle
angestrahlt werden, mit der Farbwiedergabe der selben Objekte, wenn sie durch einen Schwarzlichtstrahler (mit der selben Farbtemperatur)
angeleuchtet werden.
Die Farbwiedergabe von LEDs ist mit der von Leuchtstofﬂampen vergleichbar und variiert – abhängig von der Farbtemperatur – zwischen 60 und 98.
•
•
Für normale Beleuchtungsanwendungen in Warmweiß oder Neutralweiß verwendet ETAP LEDs mit einer Farbwiedergabe von 80
(der Norm DIN EN 12464-1 entsprechend)
Für batteriebetriebene Notbeleuchtungssysteme ist die Efﬁzienz wichtiger als die Farbwiedergabe (die Norm fordert hier eine
Farbwiedergabe von 40). Daher setzen wir in der Notbeleuchtung hochefﬁziente, kaltweisse LEDs mit einer Farbwiedergabe von ca. 60 ein.
Bei weißen LEDs mit Umwandlung durch einen Leuchtstoff wird die Farbwiedergabe auch durch die Wahl des Leuchtstoffes (Phosphor)
beeinﬂusst. Bei der RGB-Farbmischung werden die drei gesättigten Primärfarben gemischt und ermöglichen so eine hervorragende
Farbwiedergabe. Allerdings sind in diesem Fall die Steuerung und Kontrolle komplizierter.
Zum Vergleich:
Leuchtstofﬂampen:
LEDs :
Glühlampen:
CDM:
Natriumdampﬂampe:
Ra von
Ra von
Ra von
Ra von
Ra von
60
60
100
80
0
bis
bis
98
98
bis
95
Vorteil 4: Stabile Leistung über einen großen Temperaturbereich
Nichtsdestotrotz ist das thermische Konzept
von großer Bedeutung: Ein durchdachter Temperaturhaushalt ist äußerst wichtig, um eine
maximale Lebensdauer und Lichtleistung zu erreichen (siehe auch Kapitel 2.4).
12 | ETAP
115,0
110,0
105,0
100,0
95,0
90,0
85,0
80,0
75,0
70,0
65,0
60,0
55,0
50,0
45,0
40,0
-30,0
Relativer Lichtstrom %
Im Vergleich zu Leuchtstofﬂampen sind LEDs
weniger empﬁndlich für die Umgebungstemperatur. Während der relative Lichtstrom bei
Leuchtstofﬂampen bei Umgebungstemperaturen über oder unter 25°C drastisch abnimmt,
zeigen LEDs nur eine allmählich Abnahme bei
höheren Umgebungstemperaturen. Dies ist ein
wichtiger Vorteil in Umgebungen mit außergewöhnlichen Temperaturen (< oder > 25°C) oder
bei starken Temperaturschwankungen (z. B. in
der Industrie).
-25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
Umgebungstemperatur °C
Leuchtstofﬂampe
LED
Abb. 17: Einﬂuss der Umgebungstemperatur auf den relativen Lichtstrom
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Vorteil 5: Unmittelbare Lichtleistung beim Einschalten
Das gilt auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen,
in denen LEDs sogar noch besser funktionieren. Von
diesem Vorteil macht zum Beispiel die E1 mit LED für
Tiefkühlanwendungen Gebrauch.
Darüber hinaus können LEDs – im Gegensatz
beispielsweise zu CDM-Lampen – auch ohne Probleme
wieder eingeschaltet werden, obwohl sie noch warm
sind. Auch häuﬁges Schalten hat in der Regel keinen
negativen Einﬂuss auf die Lebensdauer der LED.
140,0
Rel. Lichtstrom in Abh. von der
Umgebungstemperatur = 20°C (%)
Leuchtstofﬂampen geben unmittelbar nach dem
Starten noch nicht den vollen Lichtstrom ab. LEDs
dagegen reagieren sofort auf Veränderungen in der
Stromzufuhr. Unmittelbar nach dem Einschalten
erreichen sie den maximalen Lichtstrom. Sie sind
daher auch sehr gut geeignet für Bereiche, in denen
oft geschaltet wird und das Licht oft nur kurze Zeit
leuchtet.
120,0
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
0:00
0:05
0:10
0:15
0:20
0:25
0:30
0:35
0:40
0:45
0:50
0:55
1:00
Zeit (h:mm)
E1 LED
E1 LEUCHTSTOFFLAMPE MIT ANGEPASSTEN LAMPEN UND VORSCHALTGERÄT FÜR KÜHLRÄUME
E1 MIT VORSCHALTGERÄT FÜR KÜHLRÄUME
Abb. 18: Vergleich des Startverhaltens von LEDs und Leuchtstofﬂampen bei -30°C
Vorteil 6: Gut dimmbar über eine große Bandbreite
LEDs können sehr efﬁzient und über eine große Bandbreite hinweg gedimmt (nahezu von 0% bis 100%), oder dynamisch angesteuert werden.
Dies kann auf Basis standardisierter Dimm-Methoden wie DALI, 1-10 V oder TouchDim erfolgen.
Eingangsleistung (W)
Die Dimmverluste von LEDs im unteren Dimmbereich sind vergleichbar mit den Verlusten bei Leuchtstofﬂampen mit modernsten dimmbaren
Vorschaltgeräten. Bei voller Dimmung beträgt der verbleibende Stromverbrauch noch ca. 10% der Nennleistung.
LED-Strom (mA)
Abb. 19: Effekt der Dimmung auf die Leistung
LEDs eignen sich hervorragend zur Integration in programmierte, dynamische Regelsysteme.
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Vorteil 7: Umweltfreundlichkeit
LCA-Studien* (Life Cycle Analysis Studien – sie betrachten die ökologischen Auswirkungen eines Produktes von der Herstellung bis zum
Recycling und zur Wiederverwertung) zeigen, dass LEDs im Vergleich zu anderen Lichtquellen das Potential haben, in der Zukunft den kleinsten
ökologischen Fingerabdruck zu hinterlassen. Obendrein enthalten sie kein Quecksilber, wie es z. B. bei Leuchtstofﬂampen der Fall ist.
* Assessment of Ultra-Efﬁcient Lamps; Navigant Consulting Europe; 5. Mai 2009.
Vorteil 8: Keine IR- oder UV-Strahlung
LED entwickeln keine ultavioletten (UV-) oder infraroten (IR-) Strahlen.* Das macht sie sehr geeigent für Anwendungen, in denen solche
Strahlungen vermieden werden sollten, wie zum Beispiel Museen, Lebensmittel- oder Bekleidungsgeschäfte.
Die LED selbst erzeugt zwar Wärme, aber die wird nach hinten, von dem zu beleuchtenden Objekt weg, geleitet (hierauf kommen wir noch
zurück – siehe Kapital 2 .4). Auch das ausgestrahlte Lichtbündel stellt Energie dar, die bei Absorption in Wärme umgesetzt wird.
* Das Gehäuse selbst generiert IR-Strahlung (durch die Wärme).
4.
LED-HERSTELLER
Bei ETAP nutzen wir eine Reihe von Kriterien, um die Hersteller auszuwählen, mit denen wir zusammen arbeiten können. Die wichtigsten Kriterien
sind: Leistungsfähigkeit, Preis, Dokumentation (nachweisbare Daten mit Bezug auf die aktuellen Normen) und langfristige Verfügbarkeit
(wichtig für die Kontinuität in unserer Leuchten-Produktion).
ETAP arbeitet, je nach Plattform, mit verschiedenen Lieferanten zusammen, wobei die oben genannten Anforderungen zu Grunde gelegt
werden.
5.
DIE ZUKUNFT DER LEDs
Die LED-Technologie erreicht allmählich das Ende der Entwicklungsphase.
•
•
•
Der speziﬁsche Lichtstrom der LEDs nimmt immer noch zu. Heute lassen sie in Sachen Lichtleistung Halogen-, Glüh- und
Kompaktleuchtstofﬂampen weit hinter sich. In Bezug auf Efﬁzienz und/oder speziﬁscher Leistung übertreffen einige LED-Leuchten
(wie beispielsweise die U7- oder die R7-Reihe) sogar schon die efﬁzientesten Leuchten mit Leuchtstofﬂampen. Man kann in etwa
sagen, dass in den vergangenen Jahren der Preis für das gleiche Lumenpaket um 25% zurückgegangen ist, oder dass man für den
gleichen Preis 10% mehr Lichtausbeute erhält. Momentan wird jedoch ein Limit bei 200 bis 240 lm/W für warme Farben erwartet.
Neue Technologien werden noch stets entwickelt, um langfristig Efﬁzienz, Farbqualität und Kosten zu optimieren.
Es gibt eine immer bessere Kontrolle der Farbe und somit ein engeres Farben-Binning, wodurch einige Hersteller sogar nur noch ein
Bin anbieten (3 SDCM). (Weitere Informationen zum Binning in Kapitel 2.5)
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6.
OLEDS, EINE NEUE ART VON BELEUCHTUNG
OLED steht für Organic Light Emitting Diode. Wie der Name bereits sagt, handelt es sich dabei um eine Variante der traditionellen LED.
LEDs basieren auf kristallinem, anorganischem Material (z. B. Galliumnitrid), wohingegen OLEDs organische Makromoleküle auf Basis von
Kohlenwasserstoffverbindungen nutzen, um Licht zu erzeugen.
OLEDs in verschiedensten Formen (z.B. Philips Lumiblade)
Punkt contra Oberﬂäche
Der Unterschied zwischen OLED und LED besteht aber nicht nur im Material, sondern auch in der Art der Beleuchtung. Während die LED
eine typische Punktlichtquelle ist, werden OLEDs eingesetzt, um Licht über eine vorgegebene Oberﬂäche zu verteilen. Konkret werden die
organischen, lichterzeugenden Teilchen in einer hauchdünnen Schicht auf einer Platte aus Glas oder einem anderen transparenten Material
aufgebracht und mit einer Kathode und einer Anode verbunden. Diese Schicht leuchtet auf, wenn an Kathode und Anode Spannung angelegt
wird. Durch eine Kombination der entsprechenden Materialien können OLEDs Licht in einer bestimmten Farbe erzeugen.
Abdeckplatte aus Glas
Metallkathode
organische Schicht
transparente Anode
Glasträger
Licht
Abb. 20: Aufbau einer OLED
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Komplementär zur LED
Aus diesem fundamentalen Unterschied zwischen LED und OLED wird sofort klar, warum die beiden Technologien als komplementär angesehen
und auch in Zukunft nebeneinander Verwendung ﬁnden werden. OLEDs produzieren ein ruhiges, diffuses und nicht blendendes Licht über
eine bestimmte Oberﬂäche, wohingegen LEDs sich perfekt zur Erzeugung von Lichtbündeln eignen, die dann ausgerichtet und verteilt
werden können. Die OLEDs als Oberﬂächen-Lichtquelle mit einer perfekt gleichmäßigen Ausleuchtung eignen sich natürlich äußerst gut für
Anwendungen wie Rettungszeichenleuchten. Außerdem sind sie auch vielversprechend für Anwendungen in der allgemeinen Beleuchtung,
wie zum Beispiel als lichtspendende Flächen.
Leistungsfähigkeit
UPDATE
Die OLED-Technologie beﬁndet sich heute noch in der Entwicklung. Hinsichtlich Leistung und Lebensdauer können sie heute sicher
noch nicht mit LEDs mithalten. So erzielen OLEDs eine Lichtleistung von 80 lm/W im Vergleich zu 160 lm/W bei LEDs. Für den Einsatz in
Rettungszeichenleuchten sind sie allerdings schon nah genug an der Leistung von LED-Produkten, da sie für diese Art der Anwendung
naturgemäß einfach besser geeignet sind. Genau wie bei den LEDs wird erwartet, dass die Leistung von OLEDs durch neue Entwicklungen noch
stark zunimmt.
OLED Roadmap
Jahr
2014
2016
2018
120 lm/W
Speziﬁscher Lichtstrom
50 lm/W
80 lm/W
Lebensdauer (L70 @ 6 000 cd/m2)
20 000 u
35 000 u
2
6 000 cd/m
50 000 u
2
9 000 cd/m2
Helligkeit
4 500 cd/m
Lichtausbeute
15 000 lm/m2
20 000 lm/m2
30 000 lm/m2
> 90
> 92
> 95
120*120 mm
170*170 mm
400*400 mm
Farbwiedergabe (CRI)
Max. Abmessungen
Abb. 21: Aktuelle und erwartete Leistung von OLEDs (Quelle: Philips)
Auch die Oberﬂäche, die mit einem einzigen OLED-Modul beleuchtet werden kann, beﬁndet sich noch in der Entwicklung. Bei Fernsehern
besteht der Bildschirm aus verschiedenen OLED-Pixeln, weil dort die Bildauﬂösung eine Rolle spielt. Bei Beleuchtungsanwendungen haben wir
hingegen das Ziel, mit einem Modul eine möglichst große Oberﬂäche auszuleuchten. Die Vorteile dabei sind, dass wir diese einfach ansteuern
können und kein Verpixelungs-Effekt entsteht. Heute sind Lichtpaneele mit einer Größe von 15 cm x 15 cm bereits standardmäßig erhältlich,
in der Zukunft gehören Oberﬂächen von bis zu 1 m2 sicher zu den Möglichkeiten.
Der Einsatz von organischen Materialien – die relativ schnell altern und sehr empﬁndlich gegen Luft und Feuchtigkeit sind – hat eine
relativ begrenzte Lebensdauer zur Folge. Heute geht man von 20.000 Betriebsstunden aus (bei um 30 % verringerter Lichtleistung und einer
kontinuierlichen Ansteuerung von 6 000 cd/m2). Die Weiterentwicklung der verwendeten Materialien, Schutzschichten und Produktionstechniken
wird hier große Verbesserungen mit sich bringen.
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Flexibel und transparent?
Heute werden OLEDs noch fast ausschließlich auf Glas befestigt. Die
Forschung konzentriert sich jetzt aber auf die Möglichkeiten, wie OLEDs
auf ﬂexiblere Materialien aufgebracht werden können, um verformbare
Beleuchtungspaneele zu ermöglichen. Damit würde jede Oberﬂäche – ob
eben, gebogen oder sogar elastisch – zur potentiellen Lichtquelle. Stellen
Sie sich leuchtende Wände, Möbel, Gardinen oder Kleidungstücke vor.
Ein anderer Forschungsbereich ist die Entwicklung von transparenten
OLED-Paneelen. Derzeit bilden nicht leuchtende OLEDs noch eine
reﬂektierende Oberﬂäche. Transparente Paneele könnten dann zum
Beispiel tagsüber als Fenster fungieren und bei Dunkelheit für eine
angenehme Beleuchtung sorgen. Das macht die OLEDs zu einer
besonders vielversprechenden Beleuchtungstechnologie mit nahezu
endlos vielen Anwendungsgebieten.
OLEDs als interaktiver Spiegel
ETAP führt die OLED-Technologie in die
Sicherheitsbeleuchtung ein
Ende 2013 hat ETAP als Erster eine Rettungszeichenleuchte
auf der Grundlage von OLEDs vorgestellt. Dank der niedrigen
Beleuchtungsstärken und der homogenen Ausleuchtung sind
OLEDs hierfür besonders geeignet.
K4, Rettungszeichenleuchtenreihe mit OLED
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Kapitel 2: Leuchten mit LEDs konstruieren
1.
CHANCEN UND HERAUSFORDERUNGEN
LEDs sind im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen, wie Leuchtstofﬂampen, sehr klein. Mit anderen Worten, die LED-Lichtquelle einer
Leuchte kann, anders als z. B. bei Leuchtstofﬂampen, über die gesamte Oberﬂäche angeordnet werden. Das ermöglicht ein schlankeres
Leuchtendesign und einen viel kreativeren Umgang mit Formen.
Aber beim Entwerfen von LED-Leuchten stehen wir vor mehr als nur einer Herausforderung. Wir müssen zuerst die richtigen LEDs für den
jeweiligen Anwendungszweck auswählen. Leistung, Lichtausbeute, Temperaturverhalten, Lebensdauer, Farbtemperatur und Preis sind dabei
wichtige Parameter. Das Design und die Integration von Optiken (Linsen, Diffusoren, Reﬂektoren) sorgen für die gewünschte Lichtverteilung.
Der Wärmehaushalt von LED-Leuchten ist ausschlaggebend für ihre Leistungsfähigkeit. Und das alles möchten wir auch noch in einem
ansprechenden Design verpacken.
Optisches
Design
Mechanisches
Design
Elektrisches
Design
Thermisches
Design
Ästhetisches
Design
Neues 3D-Design +
Herstellungsverfahren
Abb. 22: D4 Downlight Design
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2.
DIE RICHTIGE LICHTVERTEILUNG
Die meisten LEDs haben eine breite Lichtverteilung und strahlen das Licht in einem Winkel von 80 bis 140° aus (voller Winkel). Mit der Hilfe von
sekundären und tertiären Optiken (Linsen, Diffusoren, Reﬂektoren oder Kombinationen dieser drei) lassen sich speziﬁsche Lichtverteilungen
erreichen. Die richtige Lichtverteilung ist wichtig, um in jeder Anwendung die speziﬁsche Leistung und damit auch den Energieverbrauch so
gering wie möglich zu halten.
a. Refraktoren und Linsen
Handelsübliche Linsen-Optiken
Beispiel: Flare Spots mit einer sehr fokussierten Lichtverteilung.
ETAP-speziﬁsche Linsen
Beispiel aus der Beleuchtung:
LED+LENSTM Serien z.B. R7 mit breit strahlenden Linsen.
Beispiel aus der Sicherheitsbeleuchtung:
K9 Antipanikleuchte, extrem breitstrahlend
b. Reﬂektoren
Beispiel: D1 mit LED-Modul
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c. Diffusoren und lichtleitende Folien
Beispiel: UM2 LED mit MesoOpticsTM
Beispiel: R8 LED mit HaloOptics® Diffusor.
d. Lichtleiter
Beispiel aus der Beleuchtung: UW
Beispiel aus der Sicherheitsbeleuchtung: K7
20 | ETAP
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3.
DIE LEUCHTDICHTE UNTER KONTROLLE
Mit der stetigen Zunahme der LED-Leistung und Wattage steigt auch die Leuchtdichte der Lichtquellen rasch an. Diese Leuchtdichten können
schnell 10 bis 100 Millionen cd/m² betragen, denn je kleiner die Licht emittierende Oberﬂäche ist, desto größer kann die Leuchtdichte der
Lichtquelle werden.
Einige Beispiele von Leuchtdichten:
•
•
•
•
•
Lineare Leuchtstofﬂampe - T8
Lineare Leuchtstofﬂampe - T5
Kompaktleuchtstofﬂampe 26 W
“Nackte” LED 3 W (100 lm)
Sonne
14.000 cd/m²
15.000 - 20.000 cd/m² ¬17.000 cd/m² (HE) und 20.000 - 33.000 cd/m² (HO)
50.000 cd/m²
100.000.000 cd/m²
1.000.000.000 cd/m² (=10 x LED!)
Ein durchdachtes optisches Design ist deshalb absolute Notwendigkeit, um das Licht dieser hellen Punktquellen zu streuen, direkten Einblick
zu vermeiden und Blendung zu verringern. Hierfür können wir sowohl Linsen, als auch Reﬂektoren und Diffusoren einsetzen. Einige Beispiele:
•
•
4.
Flare Downlights (UGR<19, Leuchtdichte <1000cd/m² bei 65°):
ƕ
Verteilung des Lichts über eine größere Fläche, um Leuchtdichten zu begrenzen.
ƕ
Einsatz von Linsen mit texturierter Oberﬂäche zur Streuung des Lichts und Vermeidung von Spitzenleuchtdichten der einzelnen
Lichtquellen.
UM2 mit LED: Die Lichtquellen sind über die gesamte Leuchte verteilt. Der MesoOpticsTM Diffusor reguliert die Leuchtdichten und
sorgt für eine kontrollierte Lichtverteilung.
INTELLIGENTES WÄRME-MANAGEMENT
Dem Temperatur-Management (Kühlung) gilt zweifellos
die größte Aufmerksamkeit bei der Entwicklung qualitativ
hochwertiger LED-Beleuchtung. Abhängig von der LEDLeistung wird ca. 35 % der Energie in sichtbares Licht,
und 65 % in Wärme innerhalb der Komponente umgesetzt
(Verlustfaktor).
35% LICHT
65%
WÄRME
Zum Vergleich: Leuchtstofﬂampen strahlen etwa 25% der
umgesetzten Leistung als sichtbares Licht aus. Aber der
Unterschied ist, dass bei Leuchtstofﬂampen auch etwa 40%
der Energie in Form von Infrarot- oder Wärmestrahlung
emittiert wird. Die übrigen 35% werden in interne Wärme
und UV umgesetzt.
LED
= 18x
Cree
XP-G2
4000K
@ 350
led
= 18x
Cree
XP-G2
R2 R2
4000K
@ 350
mA mA
108%
Bei niedrigeren Temperaturen nimmt der Lichtstrom zu:
LEDs funktionieren immer umso besser, je niedriger ihre
Betriebstemperatur ist.
106%
104%
Lichtstrom (lm)
Die Lichtausbeute von LEDs nimmt mit steigender JunctionTemperatur (das ist die Temperatur im Halbleiter-Material)
ab.
102%
100%
98%
96%
94%
92%
90%
88%
60
70
80
90
100
110
120
LED Junction-Temperatur (°C)
Abb. 23: Einﬂuss der Junction-Temperatur auf den Lichtstrom
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21 | ETAP
relativer Lichtstrom
Aber es ist nicht nur der Lichtstrom, der in Abhängigkeit von der Temperatur sinkt. Auch die nutzbare Lebensdauer wird negativ beeinﬂusst,
wenn die Temperatur einen kritischen Wert übersteigt. Deshalb ist eine gute Wärmeableitung wichtig.
Betriebsdauer (h)
Abb. 24: Abnahme des Lichtstroms im Verhältnis zur Zeit bei verschiedenen Junction-Temperaturen
Ein gutes Temperatur-Management ist daher essentiell. Die Wärmeableitung der LED in die Umgebung
erfolgt in aufeinander folgenden Stufen (durch verschiedene thermische Widerstände):
•
Die von der LED erzeugte Wärme wird durch das Substrat bis an den Lötpunkt geleitet.
(1, in der LED).
•
Von da aus wird die Wärme über die LED-Leiterplatte verteilt (2).
•
Durch die thermisch leitende Schnittstelle (3) oder TIM (Thermal Interface Material) für
die Wärmeübertragung zwischen Leiterplatte und Kühlkörper wird die Wärme über den
Kühlkörper verteilt (4).
•
4
3
Durch Konvektion und Strahlung wird die Wärme in die Umgebung abgeleitet.
2
1
Freie Luftströmung rund um die Leuchte ist für eine gute Wärmeableitung sehr wichtig. Darum ist
das thermische Verhalten einer LED-Leuchte bei einer Anbauleuchte anders als bei einer Einbauleuchte. Bei der Einbauversion muss immer
ausreichend freier Raum um die Leuchte zur Verfügung stehen (Achtung: Deshalb keine Isolierung direkt oberhalb der Leuchte!). Auch die
Wartung (staubfrei halten) des Kühlkörpers trägt zu einem guten Temperatur-Management bei.
Abb. 25-26: Wärmestudien für D3 (links) und E7 (rechts)
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5.
BINNING FÜR EINE KONSTANTE LICHTQUALITÄT
Bei der Herstellung zeigen LEDs aus der gleichen Charge oder Serie verschiedene
Eigenschaften, zum Beispiel bezüglich Intensität und Farbe. Der Einsatz eines Mix
verschiedener LEDs in einer Leuchte würde daher zwangsläuﬁg zu verschiedenen
Lichtstärkeniveaus und verschiedenen Lichtfarben führen. Deshalb müssen wir
ein „Binning“ durchführen, also die LEDs nach Klassen einteilen oder gruppieren.
BIN 1
“Binning” ist das Sortieren der LEDs nach bestimmten Kriterien, wie
BIN 2
BIN 3
•
•
•
Colour Binning: Das Sortieren nach Farbkoordinaten (x; y), rund um
eine individuelle Farbtemperatur;
Flux Binning: Das Sortieren nach Lichtstrom, gemessen in Lumen (lm);
Voltage Binning: Das Sortieren nach der Durchlass-Spannung,
gemessen in Volt.
Durch die Auswahl eines bestimmten „Farb-Bins“ wird eine gleichbleibende
Farbqualität des Lichts garantiert. LEDs aus dem selben „Bin“ haben also das
gleiche Erscheinungsbild. Unterschiede in den „Farbbins“ fallen beispielsweise
bei der gleichmäßigen Beleuchtung einer Wand stark auf.
Abb. 27: Prinzip des Binnings
y
0.9
520
0.8
540
0.7
560
0.6
500
580
0.5
0.4
Bei der Betrachtung der Farbwahrnehmung wird die sogenannte „Mc AdamEllipse“ verwendet (siehe Abb. 28). Diese Ellipse ist ein Bereich im CIE-Diagramm,
der alle Farben umfasst, die das menschliche Auge nicht von der Farbe im
Zentrum dieser Ellipse unterscheiden kann. LED-Hersteller verwenden SDCM
(Standardabweichung Colour Matching), wobei 1 SDCM gleich 1 McAdam ist.
600
620
0.3
490
700
0.2
480
0.1
470
460
0.0
0.0
0.1
380
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
x
UPDATE
Abb. 28: Darstellung der McAdam-Ellipsen
(Quelle: Wikipedia)
Wie führt ETAP Binning bei allgemeiner Beleuchtung durch?
ETAP verwendet einen systematischen Ansatz, um die Einheitlichkeit auf allen Ebenen zu gewährleisten:
•
•
•
•
Bei LED+LENSTM-Leuchten verwenden wir stets LEDs mit einer Variation kleiner als 2 SDCM. Für einige Optiken kann dieser Wert
abweichen. Für Diffusoren und Softlights gilt zum
Beispiel eine Variation von 4 SDCM, weil die LEDs in
dieser Optik nicht einzeln sichtbar sind, wodurch auch
Farbunterschiede <4 SDCM nicht sichtbar sind. Bei LEDDownlights mit LED-Modulen gilt auf Clusterebene eine
Variation von 3 SDCM.
Wir kennzeichnen die verschiedenen, bestückten
Leiterplatten gemäß ihrer Farbbins und notieren diese,
so dass wir immer wissen, aus welchem Farbbin die
jeweilige LED stammt.
Flux bin
Innerhalb einer Teillieferung von LED-Leuchten liefern
wir immer Leuchten mit dem gleichen Farbcode.
Colour bin
Bei Teillieferungen, die über einen längeren Zeitraum
hinweg erfolgen, kann das nicht garantiert werden. In
diesem Fall sind Farbabweichungen von bis zu 4 SDCM
möglich.
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23 | ETAP
Abb. 29: Darstellung von Bins bei verschiedenen Farbtemperaturen
(grün 5 2 SDCM; rot 5 7 SDCM)
6.
ELEKTRISCHE SICHERHEIT
LEDs arbeiten mit Niederspannung (typischerweise etwa 3V): Daher wird oft angenommen, dass man sich um die elektrische Sicherheit keine
besonderen Gedanken machen muss. In heutigen LED-Leuchten kann Spannung bis zu 100V und mehr gemessen werden. Dementsprechend
müssen zusätzliche Maßnahmen zur Betriebssicherheit ergriffen werden.
Schaltet man LEDs in Reihe, erhöht sich die Spannung
LEDs in Leuchten für die Allgemein-Beleuchtung werden, soweit möglich, in Reihe geschaltet. Die logische Konsequenz daraus ist ein Anstieg
der Spannung. Einer der Vorzüge von LEDs ist die niedrige Spannung von durchschnittlich 3V mit der jede einzelne LED arbeitet. Schaltet man
aber innerhalb einer Leuchte 30 LEDs in Reihe, dann liegt die Spannung schon bei 90V. Es gibt sogar Betriebsgeräte für LEDs, die eine Spannung
von mehr als 200V bereitstellen. Diese Betriebsgeräte müssen zusätzlich elektrisch abgesichert werden.
Ab 24V ist eine zusätzliche Isolierung notwendig
Internationale Normen (IEC 61347) verlangen, dass bei Spannungen über 24V* zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um die Leuchte
betriebssicher zu machen. In erster Linie muss sichergestellt werden, dass die LED und alle stromführenden Teile von außen nicht zugänglich
sind. Die Lösung muss so aussehen, dass die LED erst nach dem Öffnen der Leuchte mit einem speziellen Werkzeug zugänglich ist. Darüber
hinaus muss eine gute Basisisolierung zwischen allen berührbaren, leitfähigen Teilen der Leuchte und allen spannungsführenden Teilen
bestehen. Wir stellen in jedem Fall genug Luft und Raum für Wartung sicher und nutzen elektrisch isolierendes Material, ohne das der
Wärmehaushalt darunter leidet.
AC
DC
V< 25 VRMS (IRMS < 0,7 mA)
< 60 VDC (IDC < 2 mA)
25 VRMS < V < 60 VRMS
< 60 VDC < V < 120 VDC
60 VRMS < V < 120 VRMS
Abb. 30: Entsprechend dem internationalen Standard IEC 61347 besteht bis zu 24V (AC) oder 60V (DC) kein Berührungsrisiko (grün).
Bei LED Leuchten mit höherer Ausgangsspannung (rot) sind zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen zu treffen.
*Auch die Schutzklasse des Treibers kann evtl. zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich machen.
24 | ETAP
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7.
VERÖFFENTLICHUNG DER KORREKTEN DATEN
Speziﬁscher Lichtstrom als Maßstab
Über viele Jahre wurde die Efﬁzienz von Leuchten mit Leuchtstofﬂampen in Prozentwerten ausgedrückt; ein Hinweis darauf, wie gut eine
Leuchte das von der Lampe erzeugte Licht nutzt. Mit dem Beginn des LED-Zeitalters spricht man von Lumen pro Watt, also Lichtstrom der
Leuchte im Verhältnis zur eingesetzten Leistung. Es ist wichtig, dass die Efﬁzienz der gesamten Leuchte in Betracht gezogen wird: Sowohl die
Efﬁzienz der Lichtquelle, als auch die der Leuchte.
Die Efﬁzienz einer Leuchte mit Leuchtstofﬂampe wurde durch den Vergleich des Lichtstroms der Leuchte mit dem der “nackten” Lampe ermittelt.
Eine Angabe der Efﬁzienz in Prozent ist sehr anschaulich. Sie verdeutlicht, wie efﬁzient eine Leuchte mit einer bestimmten Menge an Licht umgeht.
Das ist auch der Grund, warum diese Angabe zum Standard für Beleuchtungslösungen mit Leuchtstofﬂampen geworden ist. Dieser Prozentwert
ist sehr leicht zu ermitteln: Man misst den Lichtstrom der Leuchte mit Lampe und vergleicht ihn mit dem der „nackten“ Lampe.
Eine „nackte“ LED ist keine brauchbare Referenz
Bei Beleuchtungslösungen mit LED ist die Vorgehensweise wie bei Leuchtstofﬂösungen nicht möglich, da die „nackte“ LED keine absolute
Referenz darstellt. Zum einen gibt es unterschiedliche Typen von LEDs. Das Produkt ist nicht standardisiert. Des Weiteren gibt es (ab Werk)
Unterschiede im Lichtstrom und der Farbtemperatur. Momentan existiert keine einheitliche Standardmessmethode für den Lichtstrom einer
„nackten“ LED. Am wichtigsten ist jedoch die Tatsache, dass der Lichtstrom extrem temperaturabhängig ist. Eine LED emittiert bei 25°C sehr viel
mehr Licht, als innerhalb einer Leuchte bei wesentlich höheren Temperaturen. Das ist der Grund, warum eine Angabe der Efﬁzienz in Prozent
in den meisten Fällen zu falschen Angaben führen würde.
Lichtausbeute von Lampe und Leuchte
Der Beleuchtungsmarkt verwendet deshalb auf ein anderes Konzept. Wir schauen heute nicht mehr nur auf die Leuchte alleine, sondern auf
die Kombination von Lampe und Leuchte. Es wird zunehmend mit lm/W gearbeitet, basierend auf der Menge an Energie die nötig ist, um einen
bestimmten Lichtstrom zu erzeugen. Das ist vielleicht nicht so anschaulich wie die Angabe in Prozent, dafür aber genauer. Man darf auch nicht
vergessen, dass die Leistung einer LED-Lösung von einer Vielzahl von Faktoren wie der Kühlung, dem Betriebsgerät, der Energiedichte und dem
Warm-Kalt-Faktor (der Abfall des Lichtstroms wenn die Temperatur steigt) abhängt. Eine gute Kühlung ist wesentlich und die lm/W Angabe
berücksichtigt das: Je besser die Kühlung, desto höher der Lichtstrom bei gleicher Leistung. Bei ETAP versuchen wir mit unseren LED-Leuchten
stets optimale Werte zu erzielen. Derzeit können 100 lm/W für eine Leuchte als sehr energieefﬁzient angesehen werden. Aber da sich LEDs
fortlaufend weiterentwickeln, werden sich auch die Standards ändern.
Abb. 31: Im Produktdatenblatt auf der ETAP Website sind beide Werte, sowohl der Leuchtenlichtstrom,
als auch der speziﬁsche Lichtstrom aufgeführt. (Website Screenshot)
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25 | ETAP
UPDATE
Neben dem speziﬁschen Lichtstrom, können weitere Informationen über LEDs auf der ETAP-Website abgerufen werden:
•
Fotobiologische Sicherheitsklasse
•
Farbtemperatur
•
Stromverbrauch
•
Typ des Betriebsgeräts: dimmbar oder nicht dimmbar
•
Leistungsfaktor
•
Wartungsfaktor
8.
OBJEKTIVE INFORMATIONEN ZUR QUALITÄT
Bis vor kurzem gab es in Europa keine Richtlinie oder Norm hinsichtlich der Publikation von Qualitätsdaten von LED-Leuchten. Die Hersteller
veröffentlichten zwar Informationen, die der Verbraucher jedoch nicht ohne weiteres vergleichen konnte. Beispiel: Man konnte zwar Zahlen
zur Lebensdauer publizieren, jedoch nicht angeben, wie man an diese Zahlen gelangt war. Oder man publizierte nur Daten zu Lichtleistung und
Lebensdauer der LED-Lichtquelle, wohingegen diese jedoch auch von der Optik und der Leuchtenkonstruktion stark beeinﬂusst werden. Die
fehlende Einheitlichkeit war für den Verbraucher ärgerlich, da dieser oft Äpfel mit Birnen vergleichen musste.
Europäische Vorschriften
Der Verband der europäischen Beleuchtungshersteller Lighting Europe hat deshalb einen Leitfaden für
Qualitätskriterien für LED-Leuchten veröffentlicht, an dem ETAP aktiv mitgearbeitet hat.
Inzwischen hat auch die Europäische Kommission einen Gesetzestext (Europäische Verordnung 1194/2012: Anforderungen an die
umweltgerechte Gestaltung von Lampen mit gebündeltem Licht, LED-Lampen und dazugehörigen Geräten) erstellt und genehmigt. Darin
sind Anforderungen in Sachen Energieefﬁzienz, Funktionalität und Produktinformationen enthalten. Die Verordnung beschreibt u.a. wie
Leistungsdaten und Qualitätsmerkmale von Komplettleuchten gemessen und publiziert werden müssen, z. B.:
•
•
•
•
•
Die Eingangsleistung (W) der Leuchte einschließlich Netzversorgung, Ausgangslichtstrom (lm) und Efﬁzienz = Output/Input (lm/W)
Darstellung der Lichtstärke (cd) in einer Lichtstärkeverteilungskurve (LVK).
Ein fotometrischer Code, der die Lichtqualität angibt (Farbtemperatur des Lichts, Farbwiedergabe-Index, Chromazität und Lichtstrom)
Ein Wartungscode, der den Leistungsverlust des Lichtstroms nach einer bestimmten Zeit angibt, mit Angabe der erwarteten
Lebensdauer, dem dann verbleibenden Lichtstromanteil und dem Ausfallprozentsatz zu diesem Zeitpunkt (siehe unten)
Die Umgebungstemperatur (°C), für die die veröffentlichten Werte gelten
Die Dokumentation von ETAP erfüllt diese europäischen Anforderungen sowie auch die international geltenden Richtlinien (Public Available
Speciﬁcation) der IEC (International Electrotechnical Commission) im Hinblick auf Leistungsanforderungen von
•
Leuchten (IEC/PAS62722-1)
•
LED-Leuchten (IEC/PAS62722-2-1)
•
LED-Modulen (IEC/PAS62717)
Ermittelt Ihr Lieferant einen zuverlässigen Wartungsfaktor für seine Leuchten?
Der in der EG-Verordnung erwähnte Code für den Wartungsfaktor zielt auf eine nachweisbare und messbare Qualitätseigenschaft der Leuchte.
In der Praxis ist dieser Code oft für eine Dauer von 6.000 Stunden festgelegt, oder bestenfalls 12.000 Stunden. In Beleuchtungsstudien arbeiten
wir jedoch weiterhin mit Leistungsverlusten nach 25.000 (was bei den meisten Standardanwendungen 10 Jahren entspricht), 35.000 oder
50.000 Brennstunden. Hierfür müssen zusätzliche Extrapolationen gemacht werden. Da die Verordnung diesbezüglich keine Aussage trifft,
wendet ETAP hierfür die Amerikanische Richtlinie TM21 an. Auf der Grundlage dieser Richtlinie extrapoliert ETAP seine Daten, sodass man für
jedes Projekt den korrekten Wartungsfaktor erwarten darf. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass Ihre Beleuchtung die daran gestellten
Erwartungen bis zum geplanten Ende der Lebensdauer optimal erfüllt. Übrigens wird die Lebensdauer der Leuchte auch von der Schaltung der
LEDs (Serie oder parallel) und der Alterung der Optik beeinﬂusst. Auch dies wird von ETAP berücksichtigt. Die Europäische Verordnung setzt
schließlich keine Mindestanforderungen in Bezug auf Leistungsverlust bei LED-Leuchten voraus. Dennoch ist ein hoher und genau berechneter
Wartungsfaktor von großer Bedeutung. Zum Einen wird dadurch die Überdimensionierung Ihrer Beleuchtungsanlage so gering wie möglich
gehalten, zum Anderen garantiert ein zuverlässiger Wartungsfaktor eine akzeptable Beleuchtungsstärke am Ende der Lebensdauer (siehe 4.1).
26 | ETAP
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UPDATE
allgemeine Daten
LLMF (%)
F (lm)
P (W)
lm/W
25.000 h 35.000 h
UM2**/LEDW45
3107
38
82
95
89
UM2**/LEDN45
3295
38
87
95
89
Abb. 32: Um Daten zu extrapolieren, verwendet ETAP die amerikanische Richtlinie TM21 (zB. UM2 LED mit Lamp Lumen Maintenance Factor)
ENEC+
Unlängst wurde das Europäische Prüfzeichen ENEC+ eingeführt. Während sich das ENEC-Zertiﬁkat auf die elektrische und fotobiologische
Sicherheit von elektrischen Geräten bezieht, sagt ENEC+ etwas über die Leistung der Leuchten aus. Beachten Sie jedoch: Was bei ENEC+ nicht
berücksichtigt wird, ist der Leistungsverlust und die Lebensdauer von LED-Leuchten: Der Lichtstrom wird lediglich während der ersten 1000
Brennstunden gemessen. Welche Beleuchtungsstärke Ihre Anlage nach 25.000, 30.000 oder 50.000 Brennstunden erzielt, sind Daten, die ETAP
mithilfe der oben beschriebenen Methode berechnet und die Sie in Anlage 1 oder auf unserer Website ﬁnden.
9.
FOTOBIOLOGISCHE SICHERHEIT
Der Europäische Standard für fotobiologische Sicherheit EN 62471 beschreibt eine Klassiﬁzierung, die angibt, ob eine Lampe oder Leuchte ein
Risiko für Augen- oder Hautschäden darstellt. Auf Grund der hohen Leuchtdichten, die High Power LEDs erzeugen, besteht ein potentielles
Risiko für Augenverletzungen. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die fotobiologische Sicherheit korrekt gemessen und klar publiziert wird.
Das Licht aus der LED enthält nahezu keine Anteile aus dem ultravioletten oder infraroten Spektrum und ist daher für die Haut absolut unbedenklich.
Allerdings enthält es eine starke Spitze im blauen Spektrum, die beim direkten Blick in eine helle Lichtquelle (über einen längeren Zeitraum) zu
irreversiblen Schäden an der Netzhaut, der so genannten Photoretinitis (Blaulichtgefährdung) führen kann (Blue Light Hazard - BLH).
100
4000K
Relative
Strahlung
(%)
Relative
Radiant
Power (%)
80
60
40
20
0
400
450
500
550
600
Wellenlänge (nm)
Wavelength (nm)
650
700
750
Abb. 33: Da Licht aus LEDs eine starke Spitze im blauen Spektrum beinhaltet,
müssen ausreichende Schutzmaßnahmen ergriffen werden.
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27 | ETAP
Vier Risikogruppen
Ob tatsächlich ein Risiko besteht, hängt von vielen Faktoren ab: Leistung der LED, Farbtemperatur, aber auch die Lichtverteilung und die
Entfernung zur Leuchte spielen eine entscheidende Rolle.
Um es dem Nutzer zu ermöglichen sein Risiko einschätzen zu können, legt die Norm EN 62471 vier verschiedene Risikogruppen fest. Für die
Blaulichtgefährdung werden diese Gruppen folgendermaßen deﬁniert:
• Risikogruppe 0 (“Ausnahme”-Gruppe): Auch bei einem unbegrenzt langen Blick in die Lichtquelle besteht keine Gefahr.
• Risikogruppe 1: Das Risiko ist begrenzt, mehr als 10.000 Sekunden Blickkontakt sind nicht zulässig (knapp unter 3 Stunden).
• Risikogruppe 2: Bis zu 100 Sekunden Blickkontakt sind erlaubt.
• Risikogruppe 3: Bis zu 0.25 Sekunden Blickkontakt sind erlaubt. Zum Vergleich: Das ist weniger Zeit, als der unwillkürliche
Abwehrreﬂex (Lidschlussreﬂex) des menschlichen Auges braucht, um das Auge zu schließen und zu schützen.
Da es bei der Norm EN 62471 um eine theoretische Einteilung geht, deﬁniert für einen festen Sichtabstand, wurde daneben auch eine
Praxisrichtlinie entwickelt (IEC/TR 62477). Die Gefahr von BLH hängt nämlich auch von dem Sichtabstand ab (Abstand zwischen Augen
und LED). Normalerweise schaut man nicht aus kurzer Distanz in eine Leuchte, aber kürzere Sichtabstände können zum Beispiel auftreten,
wenn ein Techniker eine Wartung durchführt. Die IEC/TR 62477 beschreibt, innerhalb welcher Abstände eine Leuchte zu einer bestimmten
BLH-Risikogruppe (RG) gehört (sogenannte Grenzabstände).
Einige Beispiele:
Diffusoren gehören zu RG 0, ganz gleich, von
welchem Abstand aus man diese ansieht, z. B.
Kardó , R8, UM2.
Downlights und LED+LENSTM Leuchten gehören
zu RG 1, egal bei welchem Sichtabstand.
Für die Lichtquelle in Abbildung 34 gilt
RG 1/RG 2 mit einem Grenzabstand von x cm.
Dies bedeutet, dass die Lichtquelle bei Sichtabständen kleiner als x cm zu RG 2 gehört.
RG 2
RG 1
...
0 cm
x cm
Sichtabstand
Abb. 34: Darstellung der Grenzabstände
In welchem Maße Schutzmaßnahmen notwendig sind, hängt von der Anwendung ab. Haben Lichtquellen einen Grenzabstand RG 1/RG 2, muss
dieser angegeben werden, zusammen mit der Warnung, nicht direkt in die Lichtquelle zu schauen.
Nackte weiße LEDs (die in der allgemeinen Beleuchtung verwendet werden) gehören im schlechtesten Fall zu Gruppe 2, niemals Gruppe 3.
Bei den meisten Leuchten beﬁnden sich die LEDs hinter einer Linse oder einem Diffusor, die/der das Bild der Quelle optisch vergrößern und so
Spitzenleuchtdichten abﬂachen. Hierdurch nimmt die Risikoklasse in den meisten Fällen weiter ab.
Korrekt messen, klar publizieren
Zu welcher Gruppe eine Leuchte gehört, wird durch ein deﬁniertes
Messverfahren mit speziellen Instrumenten (Spektrometer) bestimmt.
ETAP hat die geeigneten Voraussetzungen und Instrumente, um
Messungen im eigenen Haus durchführen zu können. Das bedeutet, dass
ETAP alle Leuchten gewissenhaft auf ihre fotobiologische Sicherheit
hin überprüft. Die Risikogruppe, in die die jeweilige Leuchte gehört,
wird sowohl auf der Website als auch in der Produkt Dokumentation
veröffentlicht.
ETAP hat die geeigneten Instrumente, um Messungen
im eigenen Haus durchführen zu können.
28 | ETAP
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UPDATE
Abb. 35: Sie ﬁnden die exakten Informationen über die fotobiologische Sicherheit und Gruppenzugehörigkeit von ETAP Leuchten
auf dem Produkt-Datenblatt auf unserer Website. (Screenshot Website, Stand September 2014).
10.
LED-RÖHREN
LED-Röhren sind fertige LED-Lampen, die in die Fassungen von auf Leuchtstofﬂampen ausgelegten Leuchten passen. ETAP warnt vor einigen
dieser Lösungen: Die Sicherheit ist nicht immer in vollem Umfang gewährleistet und Qualität und Komfort sind selten optimal. Wenn die Leuchten
speziell hierfür entwickelt werden, können LED-Leuchten auch eine Reihe von Vorteilen aufweisen. Wenn man jedoch in bestehenden Leuchten die
Leuchtstofﬂampen durch LED-Lampen ersetzt, geht dies zu Lasten der Qualität, des Komforts und manchmal der Sicherheit.
EU geht gegen unsichere LED-Lampen vor
Über ihr Schnellwarnsystem hat die Europäische Union den
Verkauf von verschiedenen LED-Tubes (siehe Website der
Europäischen Kommission http://ec.europa.eu) gestoppt,
weil sie nicht der Niederspannungsrichtlinie 2006/95/EG
und der Norm EN 60598 für Leuchten entsprechen. Bei
diesen Produkten besteht unter anderem das Risiko eines
elektrischen Schlags während der Installation, da einige
externe Komponenten elektrisch geladen sein können.
Nicht alle LED-Lampen sind also zuverlässig und sicher.
Interne oder externe Betriebsgeräte?
LED-Leuchtröhren können über ein internes oder ein externes Betriebsgerät verfügen. Ein externes Betriebsgerät ermöglicht es, die Lampen zu
dimmen und, falls erforderlich, bequem zu ersetzen.
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29 | ETAP
Haftung
Leuchtstofﬂampen können nicht einfach gegen LED-Tubes
ausgetauscht werden. Oftmals muss die Verdrahtung in
der Leuchte geändert und Komponenten getauscht oder
überbrückt werden. Das bedeutet jedoch auch, dass die
Haftung des ursprünglichen Leuchtenherstellers hinfällig
wird. Es liegt in der Verantwortung desjenigen, der die
Leuchten umrüstet, nach einer solchen Umrüstung die
Konformität nachzuweisen und die Ausstellung einer
neuen CE-Erklärung zu veranlassen, was in der Praxis
jedoch nie geschehen wird.
Beleuchtungsqualität
Und letztendlich genügt auch die Beleuchtungsqualität meist nicht den Anforderungen. Jede Leuchte ist für eine ganz bestimmte Lichtleistung
und Lichtverteilung entwickelt worden. LED-Tubes haben eine völlig andere Leistungscharakteristik als Leuchtstofﬂampen und das Resultat sind
oftmals niedrigere Beleuchtungsstärken, eine schlechtere Gleichmäßigkeit, höhere Blendung, kurz gesagt, ein Verlust an Beleuchtungskomfort.
Auch muss man sich über die Abnahme des Lichtstroms über die Lebensdauer einer LED-Tube im Klaren sein, der am Ende 30% oder mehr
betragen kann. Schlussendlich sollte man sich gut über die gewünschte Lichtfarbe und Ausstrahlungscharakteristik informieren, da sich in
diesen Bereichen auch häuﬁg Qualitätsprobleme ergeben.
Abb. 36: Während eine E12/136HFW (mit einer 1x 36W Leuchtstofﬂampe) einen Lichtstrom von 3350 lm, und einen Wirkungsgrad
von 72 lm/W erreicht, bleibt beim Einsatz einer LED-Tube nur noch ein Lichtstrom von 1340 lm und 61 lm/W übrig. Auch ist die
Ausstrahlungscharakteristik mit einer LED-Tube (rechts) eine völlig andere, als die mit einer Leuchtstofﬂampe (Mitte).
Vorteile von LED-Tubes
Wenn eine Leuchte für die Verwendung von LED-Tubes entwickelt wurde, kann diese Lichtquelle auch
einige einzigartige Vorteile vorweisen. LED-Tubes haben nicht nur einen niedrigen Energieverbrauch
und eine lange Lebensdauer, sie zeichnen sich auch durch eine einfache Wartung aus. Es gibt auch
LED-Tubes in einem komplett abgeschlossenen Gehäuse, geeignet für chemische Umgebungen. Bei
Reﬂektorleuchten erlauben es LED-Tubes, eine Luftabsaugung über dem Reﬂektor anzubringen, was
einen selbstreinigenden Effekt hat.
LEDA-Reihe mit LED-Tubes
30 | ETAP
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Kapitel 3: Betriebsgeräte für LED-Leuchten
1.
QUALITÄTSMERKMALE FÜR LED-BETRIEBSGERÄTE
Das Betriebsgerät, der sogenannte „Driver“, ist eine der wichtigsten Komponenten jeder LED-Lösung. Die Qualität einer LED-Leuchte hängt nicht alleine
von der LED-Lichtquelle und der Konstruktion der Optik ab, sondern maßgeblich auch von der Efﬁzienz und Zuverlässigkeit des Betriebsgerätes. Alle
hochwertigen Betriebsgeräte für LEDs müssen sieben Qualitätsmerkmale aufweisen:
Lebensdauer. Das Betriebsgerät muss mindestens für die gleiche Lebensdauer
ausgelegt sein wie die LEDs selbst; also normaler Weise rund 50.000 Stunden (bei
70% des möglichen Lichtstroms).
Efﬁzienz. Einer der Erfolgsfaktoren von LEDs ist ihre Energieefﬁzienz. Aus diesem
Grund muss die Umwandlung von Netzspannung in Strom so efﬁzient wie möglich
erfolgen. Ein hochwertiges Betriebsgerät hat mindestens eine Efﬁzienz von 85%.
Leistungsfaktor. Der Leistungsfaktor ist ein technischer Indikator der anzeigt, wie dicht die
Wellenform des Stroms an der Referenz-Sinuskurve der anliegenden Spannung liegt. Der
Leistungsfaktor (h) besteht aus zwei Teilen: Dem Wechsel zwischen Spannung und Strom
(cos phi) und den Oberwellen der harmonischen Gesamtverzerrung des Stroms. Je geringer
der Schaltweg und die Verschiebung von der Referenz-Sinuskurve, desto geringer sind
die Verluste und Rückwirkungen (Verschmutzungen) ins Netzwerk des Energieversorgers.
ETAP LED-Betriebsgeräte müssen einen Leistungsfaktor von mehr als 0.9 haben.
Abb. 37: Bei Betriebsgeräten mit einem hohem Leistungsfaktor (links) zeigt die Kurve des Stroms (blau) wenig Abweichung zur Kurve für
die Spannung (gelb). Die Kurven von Betriebsgeräten mit niedrigem Leistungsfaktor (rechts) zeigen größere Abweichungen.
Elektromagnetische Kompatibilität (EMC). Das Betriebsgerät sollte selbst so wenig elektromagnetische Interferenzen in seine Umgebung
abgeben wie möglich, gleichzeitig aber auch so immun wie möglich gegen Einﬂüsse aus der Umgebung sein. Eine gute elektromagnetische
Verträglichkeit in beide Richtungen ist äußerst wichtig.
Einschaltstrom. Wird ein LED-Betriebsgerät unter Spannung gesetzt, entsteht für den Bruchteil einer Millisekunde eine Spannungsspitze im
Netz. Das kommt daher, dass am Anfang Kondensatoren aufgeladen werden. Durch ein kontrolliertes Auﬂaden werden diese Spannungsspitzen
abgefangen. Das Betriebsgerät muss so eingestellt sein, dass die Leitungsschutzschalter des Raumes oder Gebäudes nicht ausgelöst werden.
Stromfrequenz: Eine gute Qualität des Ausgangsstroms sorgt dafür, dass es keine Fluktuationen in der Intensität gibt, so dass kein Flackern
oder stroboskopische Effekte auftreten.
Filterung der Netzspannung. Probleme im Elektrizitätsnetz können niedrigfrequentes Lichtﬂackern (+/- 10Hz) verursachen. Durch die schnelle
Schaltleistung von LEDs sind diese gut sichtbar, was als sehr störend empfunden wird. Ein gutes LED-Betriebsgerät sorgt dafür, dass diese
Probleme im Elektrizitätsnetz nicht in den Ausgangsstrom durchgelassen werden, so dass der Lichtstrom stabil bleibt.
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31 | ETAP
Technische Datenblätter
Das Betriebsgerät ist eine entscheidende Komponente bei jeder LED-Beleuchtungslösung.
Qualitativ hochwertige Betriebsgeräte erkennt man durch einen Blick in die Produktdatenblätter
des Herstellers. So kann man prüfen, ob die oben genannten Qualitätsmerkmale erfüllt sind. ETAP
benutzt nur hochwertige Betriebsgeräte, die sorgfältig in unseren Laboren getestet werden.
ETAP Testlabor
2.
STROM- UND SPANNUNGSVERSORGUNG IM VERGLEICH
LEDs sind stromgesteuerte Komponenten. Der Strom ist direkt ausschlaggebend für die Lichtleistung und muss daher vorsichtig gesteuert
werden. Es gibt zwei Möglichkeiten der Ansteuerung:
•
Konstante Stromquellen
Diese wandeln die Netzspannung sofort in konstanten Strom um. Die Methode bringt die höchste Efﬁzienz und ist die kosteneffektivste
Anwendung. Nachteilig ist, dass die Module mit einer konstanten Stromquelle nur in Reihe geschaltet werden können, was bei der
Installation schwieriger ist. Zudem addiert sich bei höheren Leistungen die erforderliche Spannung schnell auf (>100 V).
Beispiele:
ƕ
Flare Spot 500mA, DIPP4,…
ƕ
Flare D4 Downlight
Konstantstrom
230 V AC
•
LEDBetriebsgerät
Konstante Spannungsquellen
Das sind Versorgungen, die die Netzspannung in genau geregelte Spannung umwandeln. Wenn sie für LEDs oder LED-Module
eingesetzt werden, müssen diese Versorgungen immer mit einem Strombegrenzer (z. B. Widerstand), oder einem DC-LED-Treiber
(Gleichstrombetriebsgerät für LED), der Gleichspannung in konstanten Strom umwandelt, ausgestattet sein. Spannungsquellen
haben den großen Vorteil, dass man verschiedene Module sehr einfach parallel anschliessen kann.
Beispiel:
ƕ
Flare Spot 24V (Gleichstrom LED-Betriebsgerät ins Kabel integriert)
Konstantspannung
230 V AC
Gleichstrom LED-Betriebsgerät
Spannungsversorgung
Die Artikelnummern der Leuchten für konstante Stromquellen enden bei ETAP auf “C” (von “Current”), die Leuchtenbezeichnungen für konstante
Spannungsquellen enden auf “V” (von “Voltage”).
32 | ETAP
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Auch für dimmbare Leuchten
Das Betriebsgerät sollte nicht nur zuverlässig und efﬁzient sein, es muss auch ﬂexibel genug sein, um in jeder modernen Beleuchtungslösung
zu funktionieren. In vielen Fällen muss die Lichtstärke regelbar sein, beispielsweise über eine tageslichtabhängige Regelung wie ELS oder einen
externen Dimmer. Wichtig dabei ist, dass die Efﬁzienz und der Leistungsfaktor immer gleich bleiben, wenn ein Dimmer benutzt wird.
1,00
0,90
0,80
Efﬁzienz des Betriebsgerätes
Der maximal mögliche Wirkungsgrad eines
Betriebsgeräts bestimmt sich über die Nennleistung für die es entwickelt wurde (siehe Graﬁk
38). Bei Betriebsgeräten mit einer Nennleistung
von <25W wird der maximale Wirkungsgrad nie
höher als bei 80-85% liegen. Bei Betriebsgeräten
mit einer Nennleistung von >35W kann ein
Wirkungsgrad von 90% und mehr erreicht
werden.
0,70
0,60
25W
75W
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0%
50%
100%
Belastung des Treibers als Prozentwert des Nennstroms
Abb. 38: Einﬂuss der Belastung des Betriebsgerätes auf die
Efﬁzienz für einen Low Power Driver (blau) und
einen High Power Driver (gelb)
Die obige Graﬁk zeigt, dass der tatsächliche Wirkungsgrad eines Betriebsgeräts auch von der Last abhängt. Bei einem qualitativ hochwertigen
Betriebsgerät bleibt der Wirkungsgrad bis zu einer minimalen Last von 50-60% konstant. Bei einer geringeren Last sinkt der Wirkungsgrad
rapide ab. Daher ist es so wichtig, das Betriebsgerät und die LED gut auf einander abzustimmen, damit das Betriebsgerät immer im
optimalen Bereich arbeiten kann.
In der Praxis gibt es zwei Möglichkeiten zu dimmen: Entweder reduziert man die Stromstärke, oder man setzt den Strom in Impulse von
immer kürzerer Dauer um (PWM oder Pulsdauermodulation). Welche Technik sich am besten eignet, hängt von der jeweiligen Anwendung
ab. Hier helfen unsere Experten bei der Entscheidung.
Alle bekannten Systeme für die Dimmung sind im Prinzip auch bei LED-Beleuchtung
einsetzbar:
•
DALI
•
1-10V (eher selten)
•
TouchDim
•
DMX (weniger für Beleuchtung verwendet, hauptsächlich in der Theaterwelt
eingesetzt)
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33 | ETAP
Kapitel 4: Beleuchtung mit LEDs - Lichttechnische Aspekte
ALTERUNG UND WARTUNGSFAKTOR
Ein korrekt berechneter Wartungsfaktor ist die elementare
Grundlage für die richtige Dimensionierung Ihres Beleuchtungssystems. Allgemeine Wartungsfaktoren, die die
besonderen Eigenschaften der LEDs nicht ausreichend berücksichtigen, führen oft zu ungenauen Berechnungen und
Beleuchtungsplanungen.
100
90
80
Relatiever Lichtstrom (%)
1.
70
60
50
40
Warum verwendet man einen « Wartungsfaktor »?
30
Im Laufe der Lebensdauer eines Beleuchtungssystems “altert”
20
die Anlage und die Menge des Lichts auf dem Arbeitsplatz
10
reduziert sich. Der Lichtstrom der Leuchtmittel sinkt und
0
die Lampen und Leuchten verschmutzen durch Staub und
1
10
100
andere Verunreinigungen. Und auch der Raum verschmutzt
Zeit (H x 1000)
im Laufe der Zeit, so dass der Reﬂektionsgrad von Wänden,
Decke und Fußboden abnimmt. Deshalb wird diese Abnahme
Abb. 39: Abnahme des Lichtstroms im Laufe der Zeit
bei Beleuchtungsplanungen durch den sogenannten
Wartungsfaktor in der Berechnung berücksichtigt (siehe
Infokasten). So kann man sicher sein, dass seine Beleuchtungsanlage auch nach 5, 10 oder mehr Jahren noch immer die erforderliche
(normgerechte) Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz einhält.
Der Wartungswert (Maintenance Factor - MF) wird mit vier Parametern errechnet :
MF = LLMF x LSF x LMF x RMF
LLMF: Lampen-Lichtstrom-Wartungsfaktor (Lamp Lumen Maintenance Factor)
Rückgang des Lampenlichtstroms
LSF:
Lampen-Lebensdauer-Faktor (Lamp Survival Factor)
Häuﬁgkeit des Lampenausfalls ohne sofortigen Ersatz
LMF:
Leuchten-Wartungsfaktor (Luminaire Maintenance Factor)
Lichtstromrückgang durch Verschmutzung der Leuchte
RMF:
Raum-Wartungsfaktor (Room Maintenance Factor)
Raumverschmutzung
34 | ETAP
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Bei Leuchtstofﬂampen gibt es eindeutige Regeln
Bei herkömmlichen Lichtquellen wie Leuchtstofﬂampen gibt es klare Regeln und internationale Standards, um den Wartungsfaktor einer
Anlage zu ermitteln. Typischerweise werden vier Elemente berücksichtigt: Die Reduzierung des Lampenlichtstroms, die Ausfallrate der Lampen,
die Verschmutzung von Lampen und Leuchten und die Verschmutzung des Raumes. Für Leuchtstofﬂampen besteht allgemeiner Konsens über
die Ermittlung der Wartungsfaktoren. Der Rückgang des Lichtstroms und die Lebensdauer der Lampen haben sich bewährt und unterscheiden
sich bei den unterschiedlichen Herstellern kaum. Ausserdem ist die Reduktion des Lichtstroms der Lampe unabhängig vom Leuchtendesign und
beim Lampenwechsel legt man einen regelmäßigen Austausch zugrunde, so dass es in der Regel wenig Diskussionen über Wartungsfaktoren von
Leuchtstofﬂampen gibt.
100
95
Relative Beleuchtungsstärke (%)
LEDs sind anders
Bei LEDs hängt der Wartungswert von einer Vielzahl von Faktoren ab. Das
beginnt schon bei der Wahl der LEDs. Es gibt heute große Qualitätsunterschiede
zwischen den unterschiedlichen Herstellern. Und auch die Art der LEDs – „low
power“ oder „high power“ – ist für die Entwicklung des Rest-Lichtstromes und
die Lebensdauer entscheidend. Darüber hinaus handelt es sich bei LEDs um eine
ganz neue Technologie, die rasend schnell weiter entwickelt. In Ermangelung der
erforderlichen Kenntnisse und Informationen verwenden heute viele LED- und
Leuchtenhersteller der Einfachheit halber immer noch einen allgemeinen LLMFWert von 70% nach 50.000 Stunden Brenndauer. Sie gehen also davon aus,
dass die LEDs nach 50 000 Stunden, nur 70% ihrer ursprünglichen Lichtleistung
erbringen - unabhängig von der Qualität der LEDs.
90
85
80
75
70
65
60
0
10
20
30
40
50
60
Brenndauer (1.000 Std.)
Im Gegensatz zu Leuchten mit Leuchtstofﬂampen spielt bei LEDs die
Leuchtenkonstruktion eine wesentliche Rolle. Lichtausbeute und Lebensdauer
von LED hängen sehr stark von ihrer Betriebstemperatur ab. Je besser sie gekühlt
werden, umso geringer die Reduzierung des Lichtstroms und umso höher die
Lebensdauer. Die Wärmeableitung ist hier wesentlich. Das Leuchtendesign
wird heute jedoch nur selten bei der Ermittlung des Wartungsfaktors von LEDLeuchten berücksichtigt. In der Praxis hat jede LED-Leuchte ihren eigenen,
speziﬁschen Wartungsfaktor. Das macht es unmöglich, einen allgemein gültigen
Wert zu deﬁnieren.
U7-Leuchte mit L97 @50.000 Std. (ETAP)
LED-Leuchte mit L70 @50.000 Std.
T5-Leuchtstofﬂampe
Abb. 40: LLMF für LED Beleuchtung im
Vergleich zu Leuchtstofﬂampen
Beleuchtungssysteme mit Leuchtstofﬂampen erfordern einen regelmäßigen Lampenwechsel (blaue Kurve). Bei LEDs wird die “Lampe” nicht ausgewechselt, sondern die Qualität der verwendeten LED und die Leuchtenkonstruktion spielen eine entscheidende Rolle: Während der grobe Richtwert für LEDs
(LLMF) in der Literatur meist mit 70 % angegeben wird (gelb), liegt der entsprechende Wert bei einer ETAP U7-Leuchte zum Beispiel bei 97 % (grün).
Große Auswirkungen für die Beleuchtungsanlage
Diese verallgemeinernden Berechnungen führen in der Praxis zu schwerwiegenden Konsequenzen. Wird der Wartungsfaktor zu optimistisch
eingeschätzt, wird die Anlage nach ein paar Jahren nicht mehr das erforderliche Beleuchtungsniveau erreichen. Umgekehrt kann ein zu pessimistisch
bemessener Wartungsfaktor zu einer Überdimensionierung der Beleuchtung führen. Dadurch werden mehr Leuchten und/oder mehr Leistung
installiert als erforderlich, was die Kosten für Investition und Energieverbrauch unnötig in die Höhe treibt.
Z.B. Einﬂuss des Wartungsfaktors auf eine Beleuchtungsplanung mit U7-Leuchten in einem Großraumbüro von 9 x 14,4 m:
LLMF 97% nach 50.000 Std. (Wartungsfaktor 87%)
500
LLMF 70% nach 50.000 Std. (Wartungsfaktor 63%)
9.00 m
8.50
500
9.00 m
8.50
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
0.00
500
500
500
500
500
500
500
0.50
0.00
14.40 m
500
500
500
500
0.50
0.00
0.00
14.40 m
Die Beleuchtungsplanung mit dem korrekten Wartungsfaktor erfordert für diesen Raum 18 U7-Leuchten und eine installierte Leistung von
1,35 W / m² / 100 lx (links). Die Verwendung des allgemeinen Wartungsfaktors (rechts) führt zu einer deutlichen Überdimensionierung der
Beleuchtungsanlage: 24 U7-Leuchten mit einer installierten Leistung von 1,96 W / m² / 100 lx.
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35 | ETAP
Hoher Wartungswert durch intelligentes Design
Die Wartungsfaktoren, die ETAP in Beleuchtungsplanungen anwendet, wurden exakt auf Basis internationaler Richtlinien ermittelt. In der
Praxis stellen wir fest, dass unsere Wartungsfaktoren meistens deutlich höher sind, als die allgemein verwendeten Werte. Wir beachten
nämlich zwei entscheidende Punkte. Zum einen verwenden wir in unseren Leuchten ausschließlich LEDs von Herstellern, die konkrete und
nachprüfbare Informationen über die Lichtleistung und Lebensdauer ihrer LEDs liefern. In der Praxis basieren diese Daten auf den LM80- und
TM21-Standards, die von der Illuminating Engineering Society (IES), einer internationale Autorität auf diesem Gebiet, validiert wurden. Dies
liefert uns objektive Kriterien für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der LEDs.
UPDATE
Zum zweiten berücksichtigen wir auch die Kühlung der LEDs in unseren Berechnungen. In unseren Laboren verfügen wir über die erforderliche
Infrastruktur, um die Junction Point Temperatur zwischen Leiterplatte und LED exakt zu bestimmen. Dadurch kennen wir die genaue
Betriebstemperatur der LEDs und können so den effektiven Lichtstromrückgang und die Lebensdauer der LEDs exakter einschätzen. Diese
Informationen verwenden wir dann zur Ermittlung des korrekten Wartungsfaktors für unsere Lichtberechnungen.
In unseren Laboren führen wir verschiedene Tests (z. B. Dauertests und Lichtmessungen) durch, um die lichttechnischen Daten
und den effektiven Leistungsverlust unserer LED-Leuchten genau zu bestimmen.
lm/W
U7 und UM2 überzeugen in unabhängiger Studie
Eine aktuelle Studie von Laborelec, dem unabhängigen Forschungszentrum von GDF Suez, bestätigt, dass unsere Konzentration
auf ein qualitatives und intelligentes Beleuchtungskonzept Früchte trägt. In einer Vergleichsstudie zu LED-Beleuchtung für Büros,
hat Laborelec sechs Leuchten der wichtigsten Anbieter auf dem belgischen Markt getestet, darunter U7 und UM2 von ETAP. Beide
Einbauleuchten überzeugten mit maximaler Efﬁzienz und minimaler Alterung.
Die Feststellung der beschleunigten Alterung erfolgte nach zwei Methoden: Eine beschleunigte Alterung in einem Klimaraum bei
45° und 7300 Brennstunden (UM2 und U7) und eine tatsächliche Alterung bei Raumtemperatur (UM2) und 2000 Brennstunden.
Während bei anderen Leuchten die Werte deutlich sanken, blieben die Ergebnisse bei ETAP absolut stabil, selbst nach 2000 bzw. 7300
Brennstunden.
90,0
85,0
ETAP UM2
ETAP U7
Typ 3
Typ 1
Typ 2
Typ 4
80,0
75,0
70,0
65,0
60,0
55,0
50,0
45,0
0
1000
2000
7300
Brennstunden
Abb. 41: Beschleunigte Alterung nach 7300 Brennstunden
36 | ETAP
Ausgabe 5, Oktober 2014. Neueste Version auf www.etaplighting.com
Wie erstellt man eine korrekte Berechnung?
ETAP stellt eine Tabelle mit dem jeweils richtigen Wartungsfaktor für alle LED-Leuchten, in Abhängigkeit der Anwendung und der vorgesehenen
Lebensdauer der LED-Leuchte, zur Verfügung. Auf dieser Basis können wir eine zuverlässige Beleuchtungsplanung bieten, mit der Gewähr, dass
die Beleuchtung auch langfristig die erforderlichen Beleuchtungsniveaus erfüllt.
Ein Beispiel:
In einer Beleuchtungsstudie mit U7 in einer Büroumgebung wird der Wartungsfaktor wie folgt kalkuliert: 99% (LLMF oder Wartungsfaktor
Lampe) x 1 (Lampenfehler sind bei LEDs quasi ausgeschlossen und haben daher keinen Einﬂuss) x 0.94 (Luftverschmutzung im Raum) x 0.95
(Wartungsfaktor einer geschlossenen Leuchte) = 88%. Das bedeutet, dass nach 25.000 Betriebsstunden immer noch 88% des ursprünglichen
Lichtstroms verbleiben. Nach 50.000 Betriebsstunden verbleiben noch 87% des Lichtstroms, was deutlich mehr ist als die standardmäßig
angenommenen 70% nach 50.000 Betriebsstunden (siehe Infokasten auf Seite 7).
U7-Leuchten in einem Büro haben einen Wartungsfaktor von 87% nach 50.000 Stunden (siehe Tabelle).
LED-Typ
High Power
LED-Leuchte
25kh
35kh
50kh
U7
88
87
87
LLMF (%)
25kh
35kh
50kh
99
98
97
Abb. 42: Auszug aus Tabelle mit Wartungsfaktoren und LLMF bei einer U7-Leuchte für 25.000, 35.000 und 50.000 Stunden
(Stand Mitte 2014).
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37 | ETAP
UPDATE
2.
INTEGRATION ENERGIESPARENDER SYSTEME
LEDs sind nicht nur eine energieefﬁziente Lichtquelle, sie
arbeiten auch perfekt mit Lichtregelsystemen zusammen. Diese
Kombination verspricht nicht nur ein hohes Einsparpotenzial,
sie sorgt auch noch für einige andere Vorteile: LEDs können viel
efﬁzienter gedimmt werden als Leuchtstofﬂampen und ihre
Lebensdauer leidet nicht unter häuﬁgem Schalten. Mit einer
tageslichtabhängigen Lichtregelung können Sie schließlich auch den
Leistungsverlust Ihrer LED-Installation kompensieren.
Die bekanntesten Lichtregelsysteme sind Bewegungsmelder, die die
Beleuchtung dimmen oder schalten, wenn Nutzer einen Bereich
betreten oder verlassen sowie die tageslichtabhängige Regelung,
die die Beleuchtung in Abhängigkeit zum einfallenden Tageslicht
dimmt. Die Kombination beider Systeme kann in bestimmten
Anwendungen bis zu 55% und mehr Energie einsparen.
Derzeit ist jede sechste von ETAP vertriebene Leuchte mit einer
leuchtenspeziﬁschen tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet.
U7 mit tageslichtabhängiger Regelung (ELS)
LEDs sind schaltfest
LEDs haben eine ganze Reihe Eigenschaften, mit denen sie sich besonders für den Einsatz mit Lichtregelsystemen eignen. Beispielsweise hat
häuﬁges Schalten keinen Einﬂuss auf die Lebensdauer von LEDs.* Ganz im Gegensatz zu Leuchtstofﬂampen, die bei jedem Schaltvorgang einen
kleinen Teil ihres Emittermaterials in der Lampe verlieren. Dieser Effekt zeigt sich dann zum Beispiel an schwarzen Lampenenden. In Bereichen
mit kurzen Anwesenheitsintervallen, wie zu Beispiel sanitäre Bereiche oder Flure, lässt sich eine erhöhte Ausfallrate von Leuchtstofﬂampen
beobachten.
* Mit Ausnahme von Anwendungen, bei denen LEDs extremen Temperaturschwankungen unterliegen.
LEDs kennen solche Probleme nicht, da sie als elektronische Bauteile unempﬁndlich gegenüber häuﬁgem Schalten sind. Zusätzlich geben LEDs
sofort nach dem Einschalten ihren vollen Lichtstrom ab, was beim Betreten eines dunklen Raumes wesentlich angenehmer ist.
Tageslichtabhängige Lichtregelung als intelligente Steuerung
Jede Beleuchtungsanlage verliert mit den Jahren einen Teil ihrer Lichtleistung (siehe 4.1). Deshalb wird die Beleuchtung für professionelle
Umgebungen in der Praxis immer etwas überdimensioniert, sodass diese am Ende der Lebensdauer noch stets durch die Norm vorgeschriebene
Beleuchtungsstärke erzielt. Durch Verwendung qualitativ hochwertiger LEDs in einer intelligenten Konstruktion mit optimalem Wärmehaushalt
wird der Leistungsverlust auf ein Minimum beschränkt (10 bis 15%).
Es gibt jedoch Verfahren, um auch noch die restliche Überdimensionierung in Höhe von 10 bis 15% zu reduzieren, ohne an Lichtqualität
einzubüßen. Heute sind High-End-Betriebsgeräte verfügbar, die es ermöglichen, zeitlich einen variablen Strom zu programmieren, eine
sogenannte CLO-Funktion (Constant Light Output). Diese müssen jedoch auf der Grundlage der zu erwartenden Abnahme der Beleuchtungsstärke
programmiert werden. Dabei handelt es sich um eine theoretische Projektion, die Unsicherheit mit sich bringt.
Man kann auch mit einem Lichtsensor arbeiten, der die reale Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsﬂäche misst und das Betriebsgerät stärker
ansteuert wenn das Beleuchtungsniveau sinkt. Und Dies kommt dem sehr nahe, was eigentlich auch eine tageslichtabhängige Lichtregelung
macht. Die tageslichtabhängige Lichtregelung hat demnach - ungeachtet dessen, ob diese auf Leuchten- oder Systemebene angewandt wird einen doppelten Vorteil: Sie sparen nicht nur Energie, sondern Sie können auch einer Überdimensionierung Ihrer Anlage entgegenwirken und
so die anfänglichen Investitionskosten drücken.
38 | ETAP
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UPDATE
115
115
E ohne
110
105
105
Relative Leistungsaufnahme (P, %)
Relative Beleuchtungsstärke (E, %)
110
ELS
E mit ELS
100
95
90
85
80
75
70
65
60
P ohne ELS
100
95
90
85
P mit
Einsparung*
ELS
80
75
70
65
0
10
20
30
40
50
60
0
Brennstunden (Std. x 1000)
10
20
30
40
50
Brennstunden (Std. x 1000)
LED-Leuchte ohne ELS
LED-Leuchte mit ELS
Abb. 43: Ein Tageslichtsensor (ELS) sorgt dafür, dass man ein Beleuchtungsanlage nicht überdimensionieren muss.
So bleibt die Beleuchtungsstärke konstant und Sie sparen Energie.
* Zusätzliche Einsparung zur Energieeinsparung, die durch Tageslichteinfall realisiert wird.
Voraussetzung ist, dass genügend Spielraum vorhanden ist, um den Strom zu erhöhen. Leistungs-LEDs arbeiten aufgrund von Efﬁzienz und
Leuchtdichtebeherrschung grundsätzlich nur mit einem Drittel ihrer Maximalleistung. Es gibt also Spielraum, um sie am Ende der Lebensdauer
10 bis 15 % stärker anzusteuern. Das gleiche gilt auch für die Betriebsgeräte, die heutzutage eingesetzt werden.
Und wie sieht es in Bezug auf Stabilität und Zuverlässigkeit der Tageslichtsensoren aus? Denn diese Faktoren werden umso wichtiger, wenn die
tageslichtabhängige Lichtregelung auch für die Leistung der Anlage verantwortlich wird. Auch dabei gibt es kaum Probleme. Tageslichtsensoren
enthalten keine lebensdauersensiblen Komponenten. Es handelt sich um Halbleiterschaltungen, die mit Niederspannung arbeiten. Im Prinzip
verfügen diese über MTBF (Mean Time Between Failure, also die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen) von mehreren hunderttausend
Stunden. Das lässt sie zu einer äußerst stabilen und zuverlässigen Komponente werden, um die Beleuchtungsanlage anzusteuern.
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39 | ETAP
Kapitel 5: Frage und Antwort
UPDATE
Frage: Wo ﬁnde ich die international gültigen Standards für LEDs?
Antwort: Auf www.lightingeurope.org ﬁnden Sie die neuesten Richtlinien zu LED-Standards im Bereich “LightingEurope Guide for the
application of the Commission Regulation (EU) No. 1194/2012 setting ecodesign requirements for directional lamps, light emitting diode
lamps and related equipment”.
In Übereinstimmung mit den Richtlinien der Lighting Industry Liaison Group sind dies die internationalen Standards in Bezug auf
LED-Beleuchtung:
Produkttyp
Sicherheitsanforderungen
Leistungsanforderungen
LED-Lampen mit integriertem
Vorschaltgerät für allgemeine
Beleuchtung mit einer
Spannung > 50 V
IEC 62560
IEC 62612
Elektronisches Steuersystem
für LED-Module
IEC 61347-2-13
IEC 62384
LED-Module für die
Allgemeinbeleuchtung
IEC 62031
IEC/PAS 62717
Public Available Speciﬁcation
LED-Leuchten
IEC 60598
IEC/PAS 62722-2-1: Leuchtenleistung Teil 2-1: Besondere Anforderungen für
LED-Leuchten
LEDs und LED-Module
IEC 62504 Begriffe und Deﬁnitionen für LEDs und LED-Module in der
Allgemeinbeleuchtung
CIE Technischer
Fachausschuss
TC2-46 CIE/ISO Standards für LED-Intesitätsmessungen
TC2-50 Messung der optischen Eigenschaften von LED Clustern und Arrays
TC2-58 Messung der Strahlung und Leuchtdichte von LEDs
TC2-63 Optische Messung von High-Power LEDs
TC2-64 Schnellprüfverfahren für LEDs
Frage: Welche Garantie gibt ETAP auf LED Leuchten?
Antwort: Auf jede Leuchte gewähren wir fünf Jahre Garantie. Angesichts der langen Lebensdauer von LEDs ist ein Ersatz sicherlich die
Ausnahme; er ist aber auch von der Garantie abgedeckt. ETAP nutzt universelle LEDs (in Bezug auf ihre Bauform und den ökologischen
Fingerabdruck). Es ändert sich lediglich die Efﬁzienz und die Lichtausbeute. Im unwahrscheinlichen Fall, dass die LEDs ausfallen, kann die LEDPlatine ohne Probleme getauscht werden. Falls gewünscht, kann dabei die Lichtausbeute auf das ursprüngliche Niveau eingestellt werden. (Für
weitere Informationen, lesen Sie bitte die Bedingungen zur Herstellergarantie auf unserer Website www.etaplighting.com)
Frage: Ist das Licht aus LEDs besser als das aus Leuchtstofﬂampen?
Antwort: Nein, sie sind beide identisch. Doch bei sehr niedrigen Beleuchtungsstärken (z. B. bei Sicherheitsbeleuchtung oder OutdoorAnwendungen), reagiert das menschliche Auge empﬁndlicher auf grüne / blaue Farbtöne, auch mesopische Vision genannt. Unter diesen
Umständen ist es daher günstiger, Lichtquellen zu verwenden, die mehr Licht aus dem grün-blauen Spektrum abgeben, wie beispielsweise
Cyan-farbige LEDs oder weiße LEDs mit hohem Blauanteil (Kaltweiß, 6500K).
40 | ETAP
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Terminologie
Binning
Das Sortieren / Klassiﬁzieren von (in diesem Fall) LEDs in Gruppen
mit gleichartigen Charakteristiken, z.B. auf dem Gebiet der Farbtemperatur.
CDM
Ceramic Discharge Metalhalide Lampe
Chromaticity
Farbkoordinaten
CIE
Commission Internationale de l’éclairage / Internationale Kommission für Beleuchtung
Diode
Halbleiter, der elektrischen Strom in eine Richtung sehr gut leitet,
aber in die andere Richtung praktisch nicht.
Gamma oder Abschirmwinkel
Winkel in Bezug zur Vertikalen wie in einem Polardiagram
„Heiße“ Lumenwerte
Lichtstrom gemessen bei einer typischen Anwendungstemperatur
(in der Regel gemessen bei etwa 85°C Junction Temperatur).
IEC
International Electrotechnical Commission
IES
Illuminating Engineering Society: International anerkannte Autorität im Bereich Beleuchtung.
Junction
Aktiver Bereich im Halbleiter, in dem das Licht erzeugt wird.
Junction-Temperatur
Dies ist die interne Temperatur im Halbleiter-Material (am PNÜbergang, siehe unten).
„Kalte“ Lumenwerte
Lichtstrom gemessen bei 25°C Junction Temperatur
Leadframe
Basiselement einer Niedrigleistungs-LED, Metallrahmen, der für externe elektrische Verbindungen, Wärmeverteilung und Lichtreﬂektion sorgt.
LED
Abkürzung von Light Emitting Diode.
LED-Chip:
Licht erzeugende Halbleiterkomponente
LED-Komponente
Die Kombination von LED, Gehäuse und Primäroptik.
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LED-Modul
Das LED-Äquivalent zu einer traditionellen Lampe, aber in LED-Ausführung. Laut ETAP’s Terminologie entspricht dies Typ 3 (siehe Kapitel 1)
LM80
Von der IES genehmigte amerikanische Methode, um den Lichtstromerhalt von LED-Komponenten zu messen („Measuring Lumen
Maintenance of LED Light Sources“).
Lumineszenz
Prozess, bei dem ein Lichtteilchen (Photon) generiert wird, wenn
ein Atom von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand
wechselt.
Nutzungsdauer
Wirtschaftliche Lebensdauer, die für die speziﬁsche Anwendung
relevant ist. Sie ist niedriger als die durchschnittliche Lebensdauer.
PCB
Printed Circuit Board: Leiterplatte
Remote-Phosphor-Technologie
Technologie, bei der der Phosphor, der benötigt wird um weißes Licht
zu erzeugen, nicht direkt auf die blaue LED, sondern in oder auf einem
(Glas oder Kunststoff) Träger in einigem Abstand zur LED aufgebracht
wird. Im Ergebnis arbeitet der Phosphor bei einer niedrigeren Temperatur, was in einigen Fällen zu mehr Efﬁzienz führen kann.
Stromleistungsdichte
Das Verhältnis zwischen dem Strom, der durch die LED ﬂießt und
seiner Oberﬂäche.
Substrat
Trägermaterial auf dem die LED samt dem inneren Reﬂektor befestigt ist.
TM21
Von der IES empfohlene Methode, um die nutzbare Lebensdauer
von LED-Komponenten zu berechnen („Projecting Long Term Lumen
Maintenance of LED Light Sources„“), und zwar auf der Grundlage
von LM80-Messdaten.
UGR
Uniﬁed Glare Rating – Ein auf Schätzung beruhendes Model des
Blendungsrisikos. Die Standard-Werte reichen von UGR 16 (geringes
Blendungsrisiko) bis UGR 28.
Unterhemisphärisches Licht
Der Anteil des totalen Lichtstroms, der bei einer horizontal aufgehangenen Lichtquelle nach unten geleitet wird.
Wartungsfaktor
Faktor, der eine Verschmutzung, Alterung und Lichtstromabnahme
von Lichtquellen bei Beleuchtungsberechnungen berücksichtigt.
Wire-Bonding
Verbindung - zumeist aus Gold - zwischen Halbleitern oder zwischen
Halbleiter und Leadframe oder externen elektrischen Kontakten.
41 | ETAP
Anlage 1: Wartungsfaktoren von LED-Produkten
Anwendungsbezogener Wartungsfaktor % (Maintenance Factor, MF)
LEUCHTENTYP
ANWENDUNG
25.000h
35.000h
50.000h
BÜRO
88
87
86
E10 / E11 / E12
INDUSTRIE
84
83
83
E7
INDUSTRIE
84
83
83
FLARE
BÜRO
87
86
84
R7
BÜRO
88
87
87
U7
BÜRO
88
87
87
V2M11
BÜRO
88
87
87
V2M17
BÜRO
83
80
77
R8
BÜRO
80
72
TBD
UM2
BÜRO
84
80
TBD
V2M1F / J
BÜRO
83
78
TBD
D1 / D2 / D3
BÜRO
63*
LEDA
BÜRO
63*
D42
Erklärungen & Bedingungen
• Alle Leistungsdaten bezogen auf eine Umgebungstemperatur von
• LLMF auf Basis LM80**/TM21***
25°C
• Anwendungsbezogener Leistungsfaktor (siehe oben): Ändert sich in
Abhängigkeit zum Verschmutzungsgrad und zur Reinigungshäufigkeit
• MF = LLMF * RMF * LSF * LMF
(CIE97:
LLMF:
LSF:
RMF:
LMF:
Veröffentlichung für die Innenbeleuchtung)
Lampenlichtstrom-Wartungsfaktor
Faktor für Lampenlebensdauer
Raum-Wartungsfaktor
Leuchten-Wartungsfaktor
• Die oben genannte Berechnung des Wartungsfaktors basiert auf
folgenden Daten:
- LSF = 1 (defekte Betriebsgeräte werden sofort ersetzt,
„Spot Replacement“)
LLMF (%)
LEUCHTENTYP
25.000h
35.000h
50.000h
D42
98
98
96
E10 / E11 / E12
99
98
97
E7
99
98
97
FLARE
97
96
94
R7
99
98
97
U7
99
98
97
V2M11
99
98
97
V2M17
93
90
86
R8
90
81
TBD
UM2
95
89
TBD
V2M1F / J
93
87
TBD
D1 / D2 / D3
70*
LEDA
70*
- LMF = 0,95 (für “saubere” Büroumgebung)
- RMF = 0,94 für “saubere” Büroumgebung mit Reflexionsfaktoren
von 70% Decke - 50% Wand - 20% Boden (vorausgesetzte
dreijährliche Reinigung des Raumes).
42 | ETAP
* Quelle: Philips
** IES LM-80-08: Zertifiziertes Testverfahren zur Bestimmung der Lumen Wartungsfaktoren von LED Lichtquellen
** IES TM-21-11: Verfahren zu langfristigen Hochrechnung von Lumen Wartungsfaktoren von LED Lichtquellen
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Notizen
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